ZKSwap提出实用zkrollup协议ZKSpeed，可大幅提高TPS并降低Gas费用

以太坊网络作为区块链世界里最活跃的开发平台，日常的拥堵，越来越高的手续费，让生态中的应用和用户们都苦不堪言。最近以来，单笔转账的平均费用更是高达24.7美元。这种糟糕的体验如果得不到改善，将对以太坊的发展将会造成不良的影响。

因此，近些年越来越多的区块链研究者和开发人员致力于底层技术研究，想尽各种技术手段，来改善整个网络状态。有针对Layer-1的技术方案，例如ETH2.0的分片技术，通过修改或优化区块链的共识网络，来提高网络的出块效率，从而加快区块确认时间，达到交易快速上链的目的；也有针对Layer-2的技术方案，在保持Layer-1功能足够简单且强大稳定的前提下，把一些原本在Layer-1上的一些计算和操作，放在链下去做，然后通过密码学的技术来保证这些链下操作的准确性。

但从长远角度来看，基于Layer-2的扩容技术方案将更适合区块链的健康发展

因为区块链的基础架构已经比较清晰，稳定且易于维护，基于此强加复杂逻辑，就有可能使Layer-1变得越来越脆弱。所以，区块链的结构发展方向应该是Layer-1尽量保持不动，除非有重大变故，比如密码学技术的突破，导致底层使用的密码学原语的修改。其他的复杂逻辑及创新应用放在Layer-2去做，Layer-1和Layer-2相辅相成。

Galaxy Digital创始人：祈祷币安与美国证券交易委员会和解:金色财经报道，加密货币投资公司Galaxy Digital创始人Mike Novogratz在社交媒体发文称，八周前曾预测了时间帮助加密货币价格上涨的事情，分别是：1、美联储暂停加息；2、Ripple赢得诉讼；3、比特币ETF；4、币安/CZ与美国证券交易委员会和解。现在四个预测中有三个取得了巨大进展，虽然现在币安还没有进一步深入了解，但仍为币安与美国证监会和解祈祷。[2023/7/16 10:57:21]

研究者也逐渐发现了这一点，因此，基于Layer-2的扩容技术方案层出不穷。然而，理想很丰满，现实很骨感。当理论需要实践的时候，开发人员才发现要想达到预期，有太多的地方需要权衡利弊，对于不同的应用场景，可能也要做出不同的妥协。

迄今为止，Layer-2扩容方案里，被讨论的最多的有zkRollup、OptimisticRollup、Validium和Plasma。在此借用StarkWare里AvihuLevy的一张图来区分它们：

这四个方案的特点如下：

zkRollup：由以太坊的研究员提出，特点是所有计算过程由链下计算，链上存储，参与计算的明文数据通过calldata的形式发送到链上合约，降低存储成本，同时，链下计算的正确性由零知识证明算法保证；由此也能看出，此方案确实能大幅提高TPS，也能降低单次交易的费用。

某三明治攻击者以3万美元赚取了超46万美元:4月30日消息，EigenPhi监测到三个MEV合约通过“三明治攻击”获得大量利润。0x6b75开头的MEV合约在7天内通过33374美元赚取了465,126美元的利润，投资回报率为1400.1%。0x4707开头的MEV合约在7天内通过18美元赚取了27,204美元的利润，投资回报率为64346%。0x0000开头的MEV合约在7天内通过通过687美元赚取了45,496美元的利润，投资回报率为3145.5%。[2023/4/30 14:36:00]

OptimisticRollup：从图上可以看出，OptimisticRollup和zkRollup位于同一行，也就说明它们的共同点是：明文数据通过calldata的形式发送到链上合约；不同之处是OptimisticRollup采用交互式错误证明来确保链下计算的准确性，如果被识别出故意作恶，那将会收到惩罚；相比于zkRollup，OptimisticRollup的安全性假设弱一些。

Validium：此方案由StarkWare提出，获得V神的认可，得此命名。特点是计算过程在链下完成，由零知识证明算法保证计算的正确性，链上完成验证并存储最终得世界状态；还有一点需要注意得是，为了获得更好的可扩展性，此方案把交易数据也存储在链下，同时由可信的“数据可用性”委员会提供数据可用性的证明，相比前两个方案，这个方案损失了一定的数据可用性，但是确实提供了更好的数据可扩展性；因此，在实际的应用场景中，此方案可能会得到更多的青睐。

主流NFT借贷协议贷款发放总量突破6.57亿美元:2月5日消息，据Dune Analytics数据显示，NFT借贷协议贷款发放总量已突破6.57亿美元，其中NFTfi累积发放3.38亿美元贷款、BendDAO累积发放2.27亿美元贷款，分别位列第一第二大NFT借贷协议。[2023/2/5 11:48:46]

Plasma：由V神提出，相比于其他三个方案，这个方案被提出的时间最早。方案特点比较显著，链下计算，链上存储，交易数据也存到链下，简单粗暴，用户可以发起错误型证明来证明执行者的作恶行为，由此获得奖励，惩罚作恶的执行者。

?虽然现在已经有了以上方案，但由于还没有真正在Layer-2上跑起来的应用，所以孰优孰劣也很难下定论。目前在以太坊上最活跃的应用概念是Defi，其中又以DEX占用的网络资源最多，Layer-2的提出将明显给DEX发展带来更大空间。下面可以从一个具体案例来看Layer-2的落地。

?目前市场上很热的ZKSwap算是探索者之一，ZKSwap提出的Layer-2扩容方案叫ZKSpeed(APraticalandScalableZk-rollupSolution一个实用并且可拓展的zk-rollup协议)。

下面通过一张图来展示ZKSwap设计的方案和上述方案的关系：

BNB Chain开发团队推出去中心化存储基础设施BNB Greenfield:2月1日消息，BNB Chain 开发团队推出去中心化存储基础设施 BNB Greenfield，BNB Greenfield 测试网得到了来自 Amazon Web Services、NodeReal 和 Blockdaemon 的社区开发团队的支持，将作为 BNB Chain 公链系统中除 BNB Beacon Chain 和 BNB Smart Chain 外的第三条链，且仍将使用 BNB 作为原生代币。拥有 BNB 和 BNB Chain 地址的用户可以将数据存储在 BNB Greenfield 上，类似于 DropBox 等 Web2 云存储服务。[2023/2/1 11:41:12]

从图上可以看到，ZKSwap的第一版扩容方案ZKSpeed基础架构结合了ZK-rollup和Validium和Plasma方案特点，在此基础上又通过聚合证明、GPU优化、证明电路优化三个方案，大幅提升了整个网络的吞吐能力。

在做详细介绍之前，需要说明一下为何采用了交易数据链下存储的方案。事实上，ZKSwap的初衷是完全按照zkRollup的方案来实现，因此它不仅能提降低交易成本，同时也保证了链上数据可用性，有了这个，用户随时可以提供默克尔树的有效性证明，从链上提取属于自己的钱。遗憾的是，经过真实的测试，在这种方案下，上链的成本仍然很昂贵，每一笔layer2交易的GasLimit为6000?左右,作为对比Layer1上面以太坊的GasLimit为21000,普通ERC20的转账交易的GasLimit为50000左右。这离Layer-2的扩容目标高吞吐，低Gas相差甚远；具有很快的上链速度，但是交易成本很高，相信也会降低用户主动做交易的意愿；因此，如果Layer2的平均每一笔交易成本太高，Layer2主打的高TPS也很难实现。因此，要想把Layer-2的扩容方案用于真实场景，首先需要Layer2资金的绝对安全性;第二需要Layer2的TPS够快第三?需要Layer2的每一笔交易的Gas成本只有主网交易成本的5%，或者2%。

智能合约中USDT供应量刚刚达到1个月低点:金色财经报道，Glassnode数据显示，智能合约中的USDT供应量刚刚达到1个月低点，为14.363%，之前的1个月低点为14.503%。[2022/7/30 2:48:18]

ZKSpeed方案中，对链下数据处理分为2部分，所有和Layer1交易相关的数据都会实时上链，保证资金的觉得安全性，并实时生成零知识证明和验证证明，但是对于仅仅和Layer2相关的交易采用分布式存储的方案，实时披露原始交易数据，并把数据摘要实时上链，目前数据摘要由Layer2运营方自己发布，并且任何人可以实时验证该摘要的准确性，长期来看，数据摘要的计算和发布可以通过分布式的形式进行，并引入社区验证。ZKSpeed方案对链下数据进行了分类，大幅度提高了数据的可拓展性，关于数据可用性这个方面，ZKSpeed方案的可拓展性长期来看优于所有交易都上链的OptimisticRollup方案，长期来看，受制于以太坊的layer1的每个BlockGasLimit的限制，如果所有数据都上链存储，那么在Layer2系统的可拓展性方面存在明显的天花板，考虑到巨大的上链Gas成本，这样的Layer2系统在实际应用中，其TPS很难到20以上，其实用性会大大降低。

??ZKSpeed扩容协议通过对链下数据进行分类，实现了数据可用性和数据可拓展性的权衡。数据可用性的问题得到解决，那么下一步的目标就是提高零知识证明系统的可用性和处理速度。ZKSpeed方案基于零知识证明算法，保证一个区块内的所有交易导致的世界状态的变化是正确的，多笔交易一次性处理，实现系统性能的第一次提升，带来了较高的TPS。但是，这种解决方案带来的提升效果只能说是勉强可以接受，ZKSwap团队不满于此，坚持寻找新的技术方案来实现更高的系统容量和更低的交易成本；经过不屑努力，终于找到了一个新的解决方案，即聚合证明(AggregativeProof)。

?AggregativeProof聚合证明

?聚合证明的逻辑其实很简单。大家知道，基础的Layer-2扩容方案里，一个区块对应一个有效性的证明，链上合约验证证明的有效性。现在以太坊的出块平均速度是15s一个区块，如果链上一次能验证多个区块的有效性，那么平摊在每个交易上的成本将大幅减少。基于这个思考，ZKSwap采用了一种聚合证明方案。所谓的聚合证明方案就是，现在是一个区块一个证明，把一段时间内，或者是固定数量的区块产生的多个证明，再用零知识证明的方式去证明这些区块的证明是有效的。这样链上只需要一次验证，就可以实现多个区块证明的有效性验证。

?经过实际测试，ZKSwap在采用了聚合证明方案后，单笔交易的费用降低到了1000，该成本是以太坊主网ERC20转账成本的1/50(以太坊主网转账的GasLimit大概是50000左右)，这个结果足够让人惊喜。试想一下，如果能在主网的出块时间间隔内，能生成更多的零知识证明，那么整个系统的TPS将会得到大幅改善，为此，ZKSwap同样做出了大量的努力，实现了GPU版的PLONK算法，相比于CPU版本的PLONK算法，计算速度提升3倍有余，同时，ZKSwap通过大规模高性能机器，专门用于零知识证明的生成，对于规模为2^28次幂的超大型电路，生成一个证明不到2分钟。但同时，受算法采用的椭圆曲线参数限制，每个区块里可证明的最多交易数量和可证明的证明数量存在上限，导致系统的的性能上限收到了限制。虽然有此约束，但ZKSwap最终的实测TPS仍然远超过了现有的其他产品，目前在最新的压力测试中，采用ZKSpeed方案的ZKSwap项目的TPS可以到100以上。

ZKSpeed已经把目光放在了不需要可信设置的递归SNARK上，相比于聚合证明，递归SNARK将不需要可信设置，并且一次性可验证的区块数量将不受限制，仅取决于出块的速度和生成证明的速度。

?系统实测结果

?以下列举出几个常用的交易类型对应的费用，详细见表格：

由于Deposit和Withdraw操作涉及到与Layer-1的交互，因此交易成本相对于Layer2转账和Swap交易操作较多。不过，无论是哪一种交易类型，其每笔交易的成本已经领先于行业内的其他产品，基于ZKSpeed方案的ZKSwap已经实现了资金安全性和高TPS以及低Gas成本的全面权衡，并且具备很大的实用价值，在Layer2的实际应用中，具备很大的技术优势。

展望

ZKSpeedLayer2扩容方案是一个兼具实用和工程优化的zk-rollup方案，通过零知识证明的聚合证明，Plonk算法的并行处理，以及对链下数据的分类处理，大大提高了Layer2系统的TPS,并大幅降低了Layer2交易的Gas成本。相比其他的Layer2方案，ZKSpeed方案在实用性方面取得了更大的突破，并将率先支持DeFi的应用在Layer2大规模部署，关于ZKSpeed的方案细节，敬请关注即将发布的技术白皮书和系统示例

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