ZKS:簡析主要 Layer 2 DEX 優劣勢：StarkNet、Loopring、ZKSwap 與 Unipig_LAYER

近期以太坊上的高手續費和低TPS使以太坊上的Layer2擴容之爭變成了焦點。本篇文章將以市場上既有的產品為基礎，從技術方案角度出發，比較當下ZKSwap方案和其他擴容方案的異同之處。在具體的展開描述之前，也將簡短的介紹下目前市場上的Layer2擴容技術的基本狀況。

Layer2擴容技術概述

迄今為止，Layer2市場上已經是一片繁榮，技術上不斷創新，各種產品也層出不窮。對于市場上的所有的產品，從技術角度上劃分，可以大體分為三類：

狀態通道：通過促進鏈下交易來減輕以太坊的負擔，具有即時存取、高吞吐的特點，其弊端是設置通道浪費耗時，并且需要在通道中支付鎖定資金，同時定時監測通道狀態；

側鏈技術：具有獨立共識規則的獨立區塊鏈，與Layer1的共識不同步，這是它的弊端；

Rollup技術：可以看作是一個高級的非托管側鏈技術，它將計算放在鏈下，交易數據以及最新世界狀態放在鏈上，保證了鏈上數據可用性。

與其他的兩種方案相比，Rollup無需提前鎖定代幣，也不用設置自己的共識規則；而且它還可以保持和Layer1同樣等級的安全性，同時方案本身具有通用性。隨著Layer2技術的持續發展，Rollup技術方案也變得多樣化，根據交易數據存儲的位置和使用的證明方法的不同，又可以將Rollup技術細分為以下四類：

安全公司：AurumNodePool合約遭受漏洞攻擊簡析:金色財經報道，據區塊鏈安全審計公司Beosin EagleEye監測顯示，2022年11月23日，AurumNodePool合約遭受漏洞攻擊。

Beosin分析發現由于漏洞合約的changeRewardPerNode函數未進行驗證，導致攻擊者可以調用該函數進行任意值設置。

攻擊者首先調用changeRewardPerNode函數將每日獎勵值設置成一個極大數，接下來調用claimNodeReward函數提取節點獎勵，而節點獎勵的計算取決于攻擊者設置的rewardPerDay值，導致計算的節點獎勵非常高。而在這一筆交易之前，攻擊者便通過一筆交易(0xb3bc6ca257387eae1cea3b997eb489c1a9c208d09ec4d117198029277468e25d)向合約存入了1000AUR，創建了攻擊者的節點記錄，從而使得攻擊者能夠提取出該節點獎勵。最終攻擊者通過該漏洞獲得約50個BNB($14,538.04)。[2022/11/23 8:01:04]

ZKRollup：Layer1Validityproofs，數據存儲在鏈上，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性；

Beosin：Skyward Finance項目遭受攻擊事件簡析:金色財經報道，根據區塊鏈安全審計公司Beosin旗下Beosin EagleEye 安全風險監控、預警與阻斷平臺監測顯示，Near鏈上的Skyward Finance項目遭受漏洞攻擊，Beosin分析發現由于skyward.near合約的redeem_skyward函數沒有正確校驗token_account_ids參數，導致攻擊者5ebc5ecca14a44175464d0e6a7d3b2a6890229cd5f19cfb29ce8b1651fd58d39傳入相同的token_account_id，并多次領取了WNear獎勵。本次攻擊導致項目損失了約108萬個Near，約320萬美元。Beosin Trace追蹤發現被盜金額已被攻擊者轉走。[2022/11/3 12:12:36]

OptimisticRollup：Layer1Fraudproofs，數據存儲在鏈上，在挑戰期間，用欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；

Validium：Layer2Validityproofs，數據存在鏈下，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性，并設立「數據可用性委員會」來保證鏈下數據的可用性；

慢霧：跨鏈互操作協議Nomad橋攻擊事件簡析:金色財經消息，據慢霧區消息，跨鏈互操作協議Nomad橋遭受黑客攻擊，導致資金被非預期的取出。慢霧安全團隊分析如下：

1. 在Nomad的Replica合約中，用戶可以通過send函數發起跨鏈交易，并在目標鏈上通過process函數進行執行。在進行process操作時會通過acceptableRoot檢查用戶提交的消息必須屬于是可接受的根，其會在prove中被設置。因此用戶必須提交有效的消息才可進行操作。

2. 項目方在進行Replica合約部署初始化時，先將可信根設置為0，隨后又通過update函數對可信根設置為正常非0數據。Replica合約中會通過confirmAt映射保存可信根開始生效的時間以便在acceptableRoot中檢查消息根是否有效。但在update新根時卻并未將舊的根的confirmAt設置為0，這將導致雖然合約中可信根改變了但舊的根仍然在生效狀態。

3. 因此攻擊者可以直接構造任意消息，由于未經過prove因此此消息映射返回的根是0，而項目方由于在初始化時將0設置為可信根且其并未隨著可信根的修改而失效，導致了攻擊者任意構造的消息可以正常執行，從而竊取Nomad橋的資產。

綜上，本次攻擊是由于Nomad橋Replica合約在初始化時可信根被設置為0x0，且在進行可信根修改時并未將舊根失效，導致了攻擊可以構造任意消息對橋進行資金竊取。[2022/8/2 2:52:59]

Plasma：Layer2Fraudproofs，數據存儲在鏈下，用戶提供欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；

安全公司：Starstream Finance被黑簡析:4月8日消息，據Agora DeFi消息，受 Starstream 的 distributor treasury 合約漏洞影響，Agora DeFi 中的價值約 820 萬美金的資產被借出。慢霧安全團隊進行分析后以簡訊的形式分享給大家。

1. 在 Starstream 的 StarstreamTreasury 合約中存在 withdrawTokens 函數，此函數只能由 owner 調用以取出合約中儲備的資金。而在 April-07-2022 11:58:24 PM +8UTC 時，StarstreamTreasury 合約的 owner 被轉移至新的 DistributorTreasury 合約(0x6f...25)。

2. 新的 DistributorTreasury 合約中存在 execute 函數，而任意用戶都可以通過此函數進行外部調用，因此攻擊者直接通過此函數調用 StarstreamTreasury 合約中的 withdrawTokens 函數取出合約中儲備的 532,571,155.859 個 STARS。

3. 攻擊者將 STARS 抵押至 Agora DeFi 中，并借出大量資金。一部分借出的資金被用于拉高市場上 STARS 的價格以便借出更多資金。[2022/4/8 14:12:38]

在實際的產品設計過程中，基于不同的業務場景，設計者往往需要在效率和安全性上做出權衡，要效率還是要絕對安全，每個產品設計時都有自己的側重面。因此，也就有了上述的四種Rollup方案。現在市面上的大部分產品，按技術分類的話，應該大都屬于上述四類，更準確的說，是屬于前三類，第四類方案提出的最早，安全性考慮的較少。

Grim Finance 被黑簡析：攻擊者通過閃電貸借出 WFTM 與 BTC 代幣:據慢霧區情報，2021 年 12 月 19 日，Fantom 鏈上 Grim Finance 項目遭受攻擊。慢霧安全團隊進行分析后以簡訊的形式分享給大家。

1. 攻擊者通過閃電貸借出 WFTM 與 BTC 代幣，并在 SpiritSwap 中添加流動性獲得 SPIRIT-LP 流動性憑證。

2. 隨后攻擊者通過 Grim Finance 的 GrimBoostVault 合約中的 depositFor 函數進行流動性抵押操作，而 depositFor 允許用戶指定轉入的 token 并通過 safeTransferFrom 將用戶指定的代幣轉入 GrimBoostVault 中，depositFor 會根據用戶轉賬前后本合約與策略池預期接收代幣(預期接收 want 代幣，本次攻擊中應為 SPIRIT-LP)的差值為用戶鑄造抵押憑證。

3. 但由于 depositFor 函數并未檢查用戶指定轉入的 token 的合法性，攻擊者在調用 depositFor 函數時傳入了由攻擊者惡意創建的代幣合約地址。當 GrimBoostVault 通過 safeTransferFrom 函數調用惡意合約的 transferFrom 函數時，惡意合約再次重入調用了 depositFor 函數。攻擊者進行了多次重入并在最后一次轉入真正的 SPIRIT-LP 流動性憑證進行抵押，此操作確保了在重入前后 GrimBoostVault 預期接收代幣的差值存在。隨后 depositFor 函數根據此差值計算并為攻擊者鑄造對應的抵押憑證。

4. 由于攻擊者對 GrimBoostVault 合約重入了多次，因此 GrimBoostVault 合約為攻擊者鑄造了遠多于預期的抵押憑證。攻擊者使用此憑證在 GrimBoostVault 合約中取出了遠多于之前抵押的 SPIRIT-LP 流動性憑證。隨后攻擊者使用此 SPIRIT-LP 流動性憑證移除流動性獲得 WFTM 與 BTC 代幣并歸還閃電貸完成獲利。

此次攻擊是由于 GrimBoostVault 合約的 depositFor 函數未對用戶傳入的 token 的合法性進行檢查且無防重入鎖，導致惡意用戶可以傳入惡意代幣地址對 depositFor 進行重入獲得遠多于預期的抵押憑證。慢霧安全團隊建議：對于用戶傳入的參數應檢查其是否符合預期，對于函數中的外部調用應控制好外部調用帶來的重入攻擊等風險。[2021/12/19 7:49:04]

所以，ZKSwap團隊推出的Layer2擴容方案Zkspeed同樣也屬于上述范疇。然而，作為Layer2賽道上的一個新星，Zkspeed方案與其他主流產品推出的Layer2方案相比會有什么樣的技術優勢呢？產品體驗又有何異同呢？接下來，我們將選取市場上具有代表性的幾個產品，從技術方案和實際體驗效果上做一些簡單的對比分析，來看看Zkspeed擴容方案是否優勝同時產品體驗是否更好。

Layer2技術對比分析

根據我們的市場調研，我們選取了三個市場上具有代表性和前沿性的的產品，分別是StarkWare的StarkNet、Uniswap的unipig、Loopring的loopring。首先，我們先從技術方案的角度，來看一下Zkspeed和starkNet、Unipig、Loopring的區別，具體的如下表所示：

表1.Layer2擴容方案分析表。圖片說明：crs對應需要多次可信設置的zkp算法；srs對應只需要一次可信設置的zkp算法

根據上述表格可以看出：

Loopring

使用的Layer2擴容方案是基于ZKRollup方案設計的，同時也支持Validium方案，即鏈上數據可用性是可以選擇的。該方案使用的零知識證明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信設置。

優點是：這種算法的proof大小是常量大小的；

缺點是：可信設置是不通用的，針對不同的交易類型，都需要單獨進行可信設置。因此，為了提高證明傲率，每個區塊里的交易類型要求為同一交易類型，導致了如果某種類型的交易較少，那它上鏈的速度就會很慢，因為要等待足夠的交易才打包區塊。不過，在Loopring發布的協議3.6版本里可以看到，已經取消了了區塊里是相同類型的交易的限制，相信會有更好的交易體驗。

StarkWare

StarkWare團隊研發的Layer2擴容引擎starkEx，支持Validium方案和ZKRollup方案兩種模式可選。狀態更新的有效性由零知識證明來保證，其用到的零知識證明算法是zkstark算法。

優點是：與常用的zksnark算法不同，zkstark算法不需要第三方的可信設置，而且其算法本身不依賴數學難題假設，具有一定的抗量子性；

缺點是：proof的大小比其他的zkp算法要大的多，生成證明需要消耗大量的計算資源和存儲空間。同時，StarkWare團隊研發的Layer2擴容解決方案值得期待，一種以太坊上的基于STARK的去中心化無許可L2ZK-Rollup產品，并且支持基于Cairo語言的通用計算；具體內容可參考鏈接starkNet。

Uniswap

使用的Unipig擴容方案是基于OptimisticRollup設計的，如前圖所示，改方案存在挑戰期，即在挑戰期間，用戶可以提供欺詐證明來驗證執行者的行為是否作惡。

優點是：該方案兼容EVM，并且交易數據存在鏈上，保證了安全性；

缺點是：由于存在潛在的欺詐性證明，鏈上事務處理的時機會延緩；挑戰成本昂貴，導致挑戰模式基本上算是形同虛設。

ZKSwap

推出的Zkspeed擴容方案兼顧了ZKRollup、Validium和OptimisticRollup方案的特點。即實現所有與Layer1交互的交易數據全部上鏈，把單純Layer2的交易數據存放在鏈下(Validium)，交易hash數據上鏈，同時ZKSpeed也會提供一個完全上鏈的版本，這樣可以實現更高的安全性，并提供零知識證明保證狀態轉換的有效性。

ZKSwap采用自己研發的Zkspeed與其他三個擴容方案的差異：

Zkspeed方案采用PLONK零知識證明算法，所有交易類型共用一套可信設置，如此就無需按照交易類型進行區塊打包；

Zkspeed方案采用了GPU實現版的PLONK算法，相比于普通的CPU實現版本運行速度上提升了3倍以上，再加上頂尖的硬件設備，使得證明的生成時間大大縮短，大幅提高了系統的吞吐量；

ZKSwap團隊經過反復研究論證，在Zkspeed方案上探索性的采用了聚合證明方案，并首先應用到AMM的DEX領域，把多個區塊的證明聚合成一個證明，使得鏈上一次就可以完成多個區塊的驗證，大大的降低了交易的平均成本。

聚合證明的技術原理如下圖所示：

圖2.Aggregation方案

在Rollup方案里，一個很明顯的技術特點就是交易的批量處理，即對區塊里的所有交易的有效性產生一個證明，然后鏈上主合約完成證明的有效性驗證。如圖2左側所示，這和原始的單個交易處理力度相比，已經有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而，ZKSwap團隊發現，受限于零知識證明算法橢圓曲線參數的選取，一個區塊內能批量處理的交易數量是有限的，再加上鏈上一次驗證計算的成本高達50WGas，導致每筆交易的成本并沒有低到預期。因此，ZKSwap技術團隊持續進行技術應用創新的突破，并最終關注到了聚合證明方案。

如上圖右側所示，聚合證明的思想很簡單，可簡單表述為：把每個區塊的proof當作輸入，把鏈上驗證的過程當作證明電路，證明鏈上的驗證過程是正確的，由于驗證的形式就是一個雙線性配對，因此，多個proof可以進行線性組合，然后利用一次雙線性配對完成所有proof的有效性驗證。這樣一來，多個證明的驗證過程由多次變成1次，驗證成本大幅降低，成本降低的幅度取決于區塊聚合度，目前Zkspeed方案支持聚合上鏈的交易筆數可根據實際情況進行調配，20、10、5筆均支持。同時，為了探索進一步降低交易成本的可能性，ZKSwap團隊追求精益求精，繼續對上鏈數據進行聚合提交，即，多個區塊一次提交，節省了一些固定成本，進一步壓縮交易成本，最終實現一筆交易的成本消耗最低至1400Gas，遠低于行業其他產品。

展望

遺憾的是，目前ZKSwap的方案還不兼容EVM，ZKSwap團隊的愿景是構建一個支持通用EVM的Rollup擴容解決方案，使得其他應用無需重新編寫智能合約就能實現快速遷移，目前ZKSwap團隊已經投入研究，并取得了一些進展。除此之外，starkWare和MatterLabs分別開發了starkNet和zinc的Layer2擴容解決方案，需要用對應新設計的DSL語言來編寫證明邏輯，雖然此方案不算完美，但也算是一個階段性的研發成果。未來ZKSwap團隊愿和其他團隊一起，共同致力于以太坊的Layer2擴容建設。

撰文：江小白

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