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LAYER:ZKSwap提出實用zkrollup協議ZKSpeed,可大幅提高TPS并降低Gas費用_BankRoll

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以太坊網絡作為區塊鏈世界里最活躍的開發平臺,日常的擁堵,越來越高的手續費,讓生態中的應用和用戶們都苦不堪言。最近以來,單筆轉賬的平均費用更是高達24.7美元。這種糟糕的體驗如果得不到改善,將對以太坊的發展將會造成不良的影響。

因此,近些年越來越多的區塊鏈研究者和開發人員致力于底層技術研究,想盡各種技術手段,來改善整個網絡狀態。有針對Layer-1的技術方案,例如ETH2.0的分片技術,通過修改或優化區塊鏈的共識網絡,來提高網絡的出塊效率,從而加快區塊確認時間,達到交易快速上鏈的目的;也有針對Layer-2的技術方案,在保持Layer-1功能足夠簡單且強大穩定的前提下,把一些原本在Layer-1上的一些計算和操作,放在鏈下去做,然后通過密碼學的技術來保證這些鏈下操作的準確性。

但從長遠角度來看,基于Layer-2的擴容技術方案將更適合區塊鏈的健康發展

因為區塊鏈的基礎架構已經比較清晰,穩定且易于維護,基于此強加復雜邏輯,就有可能使Layer-1變得越來越脆弱。所以,區塊鏈的結構發展方向應該是Layer-1盡量保持不動,除非有重大變故,比如密碼學技術的突破,導致底層使用的密碼學原語的修改。其他的復雜邏輯及創新應用放在Layer-2去做,Layer-1和Layer-2相輔相成。

Aave社區通過“禁止額外CRV抵押借貸”提案鏈上投票,并已執行:8月7日消息,治理頁面顯示,Aave社區以100%的支持率通過了“禁止額外CRV抵押借貸”提案的鏈上投票,并于昨日執行。該提案由DeFi風險管理器Gauntlet提出,指出由于近期CRV流動性下降,建議將以太坊上Aave V2的CRV LTV設置為0,以阻止現有CRV抵押品進行額外借貸。[2023/8/7 21:29:05]

研究者也逐漸發現了這一點,因此,基于Layer-2的擴容技術方案層出不窮。然而,理想很豐滿,現實很骨感。當理論需要實踐的時候,開發人員才發現要想達到預期,有太多的地方需要權衡利弊,對于不同的應用場景,可能也要做出不同的妥協。

迄今為止,Layer-2擴容方案里,被討論的最多的有zkRollup、OptimisticRollup、Validium和Plasma。在此借用StarkWare里AvihuLevy的一張圖來區分它們:

這四個方案的特點如下:

zkRollup:由以太坊的研究員提出,特點是所有計算過程由鏈下計算,鏈上存儲,參與計算的明文數據通過calldata的形式發送到鏈上合約,降低存儲成本,同時,鏈下計算的正確性由零知識證明算法保證;由此也能看出,此方案確實能大幅提高TPS,也能降低單次交易的費用。

非農公布前:美聯儲6月維持利率不變的概率為99.1%:金色財經報道,據CME“美聯儲觀察”:美聯儲6月維持利率不變的概率為99.1%,降息25個基點的概率為0.9%;到7月維持利率在當前水平的概率為49.9%,累計降息25個基點的概率為49.6%。[2023/5/5 14:45:12]

OptimisticRollup:從圖上可以看出,OptimisticRollup和zkRollup位于同一行,也就說明它們的共同點是:明文數據通過calldata的形式發送到鏈上合約;不同之處是OptimisticRollup采用交互式錯誤證明來確保鏈下計算的準確性,如果被識別出故意作惡,那將會收到懲罰;相比于zkRollup,OptimisticRollup的安全性假設弱一些。

Validium:此方案由StarkWare提出,獲得V神的認可,得此命名。特點是計算過程在鏈下完成,由零知識證明算法保證計算的正確性,鏈上完成驗證并存儲最終得世界狀態;還有一點需要注意得是,為了獲得更好的可擴展性,此方案把交易數據也存儲在鏈下,同時由可信的“數據可用性”委員會提供數據可用性的證明,相比前兩個方案,這個方案損失了一定的數據可用性,但是確實提供了更好的數據可擴展性;因此,在實際的應用場景中,此方案可能會得到更多的青睞。

灰度GBTC負溢價率擴大為39.68%:金色財經報道,據Coinglass數據顯示,當前灰度總持倉量達165.88億美元,主流幣種信托溢價率如下:BTC,-39.68%;ETH,-47.26%;ETC,-68.56%;LTC,-53.02%;BCH,-49.07%。[2023/1/13 11:10:49]

Plasma:由V神提出,相比于其他三個方案,這個方案被提出的時間最早。方案特點比較顯著,鏈下計算,鏈上存儲,交易數據也存到鏈下,簡單粗暴,用戶可以發起錯誤型證明來證明執行者的作惡行為,由此獲得獎勵,懲罰作惡的執行者。

?雖然現在已經有了以上方案,但由于還沒有真正在Layer-2上跑起來的應用,所以孰優孰劣也很難下定論。目前在以太坊上最活躍的應用概念是Defi,其中又以DEX占用的網絡資源最多,Layer-2的提出將明顯給DEX發展帶來更大空間。下面可以從一個具體案例來看Layer-2的落地。

?目前市場上很熱的ZKSwap算是探索者之一,ZKSwap提出的Layer-2擴容方案叫ZKSpeed(APraticalandScalableZk-rollupSolution一個實用并且可拓展的zk-rollup協議)。

下面通過一張圖來展示ZKSwap設計的方案和上述方案的關系:

Alameda Research地址轉出約1667萬枚穩定幣:11月7日消息,據PeckShield監測數據,被標記為Alameda Research的地址轉出約1667萬枚穩定幣(MIM、USDT和USDC),包括向Bitfinex轉入約500萬枚MIM、向FTX(0x2fa開頭地址)轉入約1167萬枚USDT和USDC。[2022/11/7 12:28:29]

從圖上可以看到,ZKSwap的第一版擴容方案ZKSpeed基礎架構結合了ZK-rollup和Validium和Plasma方案特點,在此基礎上又通過聚合證明、GPU優化、證明電路優化三個方案,大幅提升了整個網絡的吞吐能力。

在做詳細介紹之前,需要說明一下為何采用了交易數據鏈下存儲的方案。事實上,ZKSwap的初衷是完全按照zkRollup的方案來實現,因此它不僅能提降低交易成本,同時也保證了鏈上數據可用性,有了這個,用戶隨時可以提供默克爾樹的有效性證明,從鏈上提取屬于自己的錢。遺憾的是,經過真實的測試,在這種方案下,上鏈的成本仍然很昂貴,每一筆layer2交易的GasLimit為6000?左右,作為對比Layer1上面以太坊的GasLimit為21000,普通ERC20的轉賬交易的GasLimit為50000左右。這離Layer-2的擴容目標高吞吐,低Gas相差甚遠;具有很快的上鏈速度,但是交易成本很高,相信也會降低用戶主動做交易的意愿;因此,如果Layer2的平均每一筆交易成本太高,Layer2主打的高TPS也很難實現。因此,要想把Layer-2的擴容方案用于真實場景,首先需要Layer2資金的絕對安全性;第二需要Layer2的TPS夠快第三?需要Layer2的每一筆交易的Gas成本只有主網交易成本的5%,或者2%。

ENS的總數已超過230萬:金色財經報道,據Watcher.Guru發推稱,Ethereum名稱服務(ENS)的總數已超過230萬。[2022/9/11 13:21:59]

ZKSpeed方案中,對鏈下數據處理分為2部分,所有和Layer1交易相關的數據都會實時上鏈,保證資金的覺得安全性,并實時生成零知識證明和驗證證明,但是對于僅僅和Layer2相關的交易采用分布式存儲的方案,實時披露原始交易數據,并把數據摘要實時上鏈,目前數據摘要由Layer2運營方自己發布,并且任何人可以實時驗證該摘要的準確性,長期來看,數據摘要的計算和發布可以通過分布式的形式進行,并引入社區驗證。ZKSpeed方案對鏈下數據進行了分類,大幅度提高了數據的可拓展性,關于數據可用性這個方面,ZKSpeed方案的可拓展性長期來看優于所有交易都上鏈的OptimisticRollup方案,長期來看,受制于以太坊的layer1的每個BlockGasLimit的限制,如果所有數據都上鏈存儲,那么在Layer2系統的可拓展性方面存在明顯的天花板,考慮到巨大的上鏈Gas成本,這樣的Layer2系統在實際應用中,其TPS很難到20以上,其實用性會大大降低。

??ZKSpeed擴容協議通過對鏈下數據進行分類,實現了數據可用性和數據可拓展性的權衡。數據可用性的問題得到解決,那么下一步的目標就是提高零知識證明系統的可用性和處理速度。ZKSpeed方案基于零知識證明算法,保證一個區塊內的所有交易導致的世界狀態的變化是正確的,多筆交易一次性處理,實現系統性能的第一次提升,帶來了較高的TPS。但是,這種解決方案帶來的提升效果只能說是勉強可以接受,ZKSwap團隊不滿于此,堅持尋找新的技術方案來實現更高的系統容量和更低的交易成本;經過不屑努力,終于找到了一個新的解決方案,即聚合證明(AggregativeProof)。

?AggregativeProof聚合證明

?聚合證明的邏輯其實很簡單。大家知道,基礎的Layer-2擴容方案里,一個區塊對應一個有效性的證明,鏈上合約驗證證明的有效性。現在以太坊的出塊平均速度是15s一個區塊,如果鏈上一次能驗證多個區塊的有效性,那么平攤在每個交易上的成本將大幅減少。基于這個思考,ZKSwap采用了一種聚合證明方案。所謂的聚合證明方案就是,現在是一個區塊一個證明,把一段時間內,或者是固定數量的區塊產生的多個證明,再用零知識證明的方式去證明這些區塊的證明是有效的。這樣鏈上只需要一次驗證,就可以實現多個區塊證明的有效性驗證。

?經過實際測試,ZKSwap在采用了聚合證明方案后,單筆交易的費用降低到了1000,該成本是以太坊主網ERC20轉賬成本的1/50(以太坊主網轉賬的GasLimit大概是50000左右),這個結果足夠讓人驚喜。試想一下,如果能在主網的出塊時間間隔內,能生成更多的零知識證明,那么整個系統的TPS將會得到大幅改善,為此,ZKSwap同樣做出了大量的努力,實現了GPU版的PLONK算法,相比于CPU版本的PLONK算法,計算速度提升3倍有余,同時,ZKSwap通過大規模高性能機器,專門用于零知識證明的生成,對于規模為2^28次冪的超大型電路,生成一個證明不到2分鐘。但同時,受算法采用的橢圓曲線參數限制,每個區塊里可證明的最多交易數量和可證明的證明數量存在上限,導致系統的的性能上限收到了限制。雖然有此約束,但ZKSwap最終的實測TPS仍然遠超過了現有的其他產品,目前在最新的壓力測試中,采用ZKSpeed方案的ZKSwap項目的TPS可以到100以上。

ZKSpeed已經把目光放在了不需要可信設置的遞歸SNARK上,相比于聚合證明,遞歸SNARK將不需要可信設置,并且一次性可驗證的區塊數量將不受限制,僅取決于出塊的速度和生成證明的速度。

?系統實測結果

?以下列舉出幾個常用的交易類型對應的費用,詳細見表格:

由于Deposit和Withdraw操作涉及到與Layer-1的交互,因此交易成本相對于Layer2轉賬和Swap交易操作較多。不過,無論是哪一種交易類型,其每筆交易的成本已經領先于行業內的其他產品,基于ZKSpeed方案的ZKSwap已經實現了資金安全性和高TPS以及低Gas成本的全面權衡,并且具備很大的實用價值,在Layer2的實際應用中,具備很大的技術優勢。

展望

ZKSpeedLayer2擴容方案是一個兼具實用和工程優化的zk-rollup方案,通過零知識證明的聚合證明,Plonk算法的并行處理,以及對鏈下數據的分類處理,大大提高了Layer2系統的TPS,并大幅降低了Layer2交易的Gas成本。相比其他的Layer2方案,ZKSpeed方案在實用性方面取得了更大的突破,并將率先支持DeFi的應用在Layer2大規模部署,關于ZKSpeed的方案細節,敬請關注即將發布的技術白皮書和系統示例

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