简析Layer2系统的安全性和效率取舍

前言：

感谢MatterLabs提出关于部分L1数据链上可用性的问题，我们一直以来都非常重视社区的声音，并会根据社区的需求修改方案。因此，我们想借着这次机会向大家分享ZKSwap开发团队辛勤工作所交付的产品背后的一些思考。

经过非常谨慎细致的思考之后，为了TPS和Gasfee的效率，我们决定将ZKSwap的L2转账放在链下。在ZKSwap的设计中，L1相关的数据在链上，L2相关的数据，比如转账和交易，存在链下。尽管存在链下，这部分数据也会被验证者实时公布。

例如，L2区块7831：https://api.zkswap.info/block/7831/pub-data

三种转账类型

ZK-Rollup协议中，一个区块可以包括三种类型的转账：

数据：Arbitrum网络总锁仓量达13.6亿美元，7日涨幅13.23%:2月5日消息，据DeFiLlama数据显示，Arbitrum网络总锁仓量已达13.6亿美元，7日涨幅为13.23%。其中TVL排名前三的DeFi项目分别为GMX（4.58亿美元）、Sushi（1.21亿美元）和UniswapV3（1.12亿美元）。[2023/2/5 11:48:07]

类型1：来自L1的存款和创建AMM交易对的转账；

类型2：L2发起且只能被L1验证的转账。比如，公钥转账将需要L1签名来确保L1账户的密钥所有者能将他们的账户与L2账户关联起来，因为电路不能检查确认L1的签名；

类型3：由L2签名验证而无法被L1验证的转账。

ZKSwap安全模型

一个区块内记录的L2转账在L1上只有部分记录。只有区块信息的总结会被记录在L1链上，例如区块哈希、新默克尔根、区块高度等等。

美参议院民主党成员：加密货币是脱离监管的金融领域之一:金色财经报道，美国参议院民主党成员Warner表示，加密数字货币领域出现大量犯罪行为；加密货币是脱离监管的金融领域之一。[2022/12/16 21:47:47]

当一个区块的转账被提交到L1上，区块就被创建出来，区块哈希会被验证。由于以太坊内建了sha256算法，所以区块哈希通常也使用sha256进行计算。

为了保持数据可用性，所有的转账数据都应该被提交到L1上，这被称为“公开数据”。一笔转账的公开数据与其在L2上的转账并不完全相同。系统在进入“退出模式”时将使用公开数据，这样任何人都能恢复最近的经过验证的默克尔树。

电路

L2的电路与L1的智能合约能够协同工作，确保ZK-Rollup协议的功能性。L2的电路保证了以下几点：L2转账签名正确、L1/L2转账执行正确、区块信息计算正确、及时有效地更新账户信息——包括默克尔根、账户默克尔树和费用信息等等。

美国10月未季调CPI年率录得7.7%，时隔7个月再度回落至8%以下:金色财经报道，美国10月未季调CPI年率录得7.7%，时隔7个月再度回落至8%以下，为2022年1月以来最小增幅。数据公告后，美股三大股指期货短线走高，纳指期货涨超3%，标普500指数涨超2%，道指期货涨1.8%。现货黄金短线拉升逾15美元，现报1725美元/盎司。[2022/11/10 12:45:59]

双验证模式

验证模块对与安全性来说十分重要，是ZK-Rollup协议的基础。

公开数据验证——验证第一类和第二类转账的内容和次序。例如，验证存款需要确保存款数额和信息与L1上记录的相同，并且顺序无误。

区块验证——验证一个区块里的转账被正确执行，并且L2的账户默克尔树根被及时恰当地通过零知识证明进行更新。当一个区块被验证之后，更新的默克尔根就取得了最终性。

比特币哈希率未因矿工利润下滑受影响:金色财经消息，尽管比特币的法定价值已比2021年11月的历史高点下降了70%以上，但价格下跌使得矿工根据他们运营的设备赚取的利润减少了。尽管矿工利润下滑，但比特币的哈希率一直保持在每秒180exahash(EH/s)至261EH/s的高位徘徊。在三天或600多个区块之后，比特币的下一次难度调整估计也将增加0.3%。[2022/7/3 1:47:18]

总结来说，整体的安全假设如下：

·一个区块的所有转账公开数据在链上；

·验证一个区块中第一类和第二类转账被正确执行；

·证明一个区块内的所有转账被正确执行、账户默克尔树被正确更新、一个区块内的所有转账的公开数据能够匹配；

·证明该区块内所有公开数据都被正确计算；

·提交给L1的区块公开数据与零知识证明系统所证明的数据相同。

公开数据不上链时会发生什么？

如果公开数据不在链上，安全假设“提交给L1的区块公开数据与零知识证明系统所证明的数据相同”就不能被验证。这时候，当L2的零知识证明系统阵营所有转账都被正确执行、默克尔树都被正确更新时，只能说明一个区块内的转账有效，而不能证明来自特定区块的其他转账。

大多数第三类转账都是安全的，但是对于提现操作来说，提现的收款人未经验证，不能被零知识证明系统证明。

对于第一类转账来说，所有可能的第一类转账都能被证明，但不能被验证。类如，零知识证明系统能证明一些非L1发起的存款转账。

由于只有验证着能提交公开数据或者区块证明，所以社区必须信任验证者是诚实的。当验证者诚实时，以上所有的风险都不会存在。对ZKSwap来说，所有公开数据都在浏览器中同步公布，任何人都可以验证公开数据和任何链上区块。

将公开数据存在链下不是一个草率的决定。这个选择背后的主要原因是降低Gas费和提高可扩展性。

Gas费用

保持ZK-Rollup协议运行的一个痛点是Gas。为了向L1提交一个区块，需要消耗以下GasLimit）：

一个区块中，最多可以包括120笔交易转账。

如果要在L1提交验证一个区块，需要消耗大约23万GasLimit，calldata费用约占31%。

可扩展性

可扩展性是另一个考虑因素。假设一笔L2转账消耗1850.7Gas，那么ZKSwap将消耗10%的以太坊Gas，整体TPS将在51.5。

这是在只有交易、没有提现的情况，所以正常使用中将消耗更多Gas，TPS会更低。

结论

保护用户资金安全对所有区块链项目来说都很重要，也是ZKSwap的核心价值。当转账的公开数据没有提交上链时，安全性就依赖于零知识证明电路。当验证者诚实时，用户的资产就是安全的。从技术角度来说，如果验证者不诚实，安全性将会是一个问题。这是降低Gas、提高TPS的一个权衡。

考虑到Gas消耗和可扩展性，ZKSwap做了一个艰难的决定，将公开数据不上链，换来对L2用户更高的TPS和更低的Gas消耗。

我们愿意倾听开发者和用户的反馈，让ZKSwap系统更好。我们也可以在任何时间将所有数据上链。事实上，在发布ZKSwap之前，我们已经实现了100%数据可用的版本，所以我们可用随时升级至这个100%ZK-Rollup的版本，提供更高的Gas消耗、更低的TPS，但是更安全。

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