StarkNet Alpha 上線以太坊主網，解讀 ZK-Rollups 與以太坊的擴容之路

原文標題：

撰文：Timothy Craig

翻譯：zombit

以太坊廣受讚賞的ZK Rollup 擴容方案StarkNet Alpha 於昨日上線以太坊主網，該解決方案有助於緩解以太坊當前高昂的手續費使用環境。目前已經有好幾個擴展解決方案被實際採用，但ZK-Rollup（Zero-Knowledge Rollup）技術始終被視為是擴容解決方案的最佳解答，原因究竟為何呢？

以太坊可擴展性問題

高昂的gas fees 已經成為以太坊的主要問題，由於交易費用是以ETH 支付，當資產價格上漲時，使用網路的成本也隨之上升，ETH 今年上漲了460%，這意味著以美元計算的交易成本也增加了460%。另外，交易費用也取決於網路擁堵程度，由於目前的鏈上應用項目對以太坊區塊空間有著極大的需求，但是區塊空間是有限的，導致其網路很容易變得擁擠，使交易確認速度變慢及gas fee 變高。

使用網路的高成本成為用戶參與DeFi（去中心化金融）和NFT 的阻礙，甚至失去參與DAO 的機會，許多加密貨幣愛好者已經遷移到其他第一層區塊鏈上，如Solana（SOL）和Avalanche（AVAX）。

以太坊交易gas 價格中位數

在過去的幾年裡，幾個擴展解決方案已經被開發出來，以幫助緩解以太坊的網路擁堵及交易成本問題。Polygon 在2019 年推出，可以說是第一個獲得巨大吸引力的以太坊擴容解決方案，該網路使用一個名為Plasma 的擴容方案，它將交易從主要的以太坊區塊鏈轉移到一個專用的側鏈，許多以太坊原生的DeFi 應用已經在Polygon 上推出，如Curve（CRV）和Aave（AAVE）。

雖然Polygon 網路透過低交易成本成功吸引用戶使用，但它常被質疑安全性和中心化問題，而被認為不是一個真正的擴展解決方案，該網路使用其自身的節點驗證者管理PoS 共識機制，這意味著它不使用以太坊主網來驗證交易，根據截稿前的    

 Polygon 網路前25 大區塊驗證者佔比

Rollup

近期Rollup 擴展解決方案在以太坊社群引起了一陣熱議，Rollup 方案顧名思義就是一種將計算數據「打包」並將有效性證明（Validity Proof）送回以太坊主網的方式，這種做法可節省區塊空間，進一步減少提交給主網的數據量，由於交易被捆綁在一起，Gas fee 就能讓許多用戶分攤。Rollup 為用戶提供了近乎即時的交易速度，可以將費用減少50 到200 倍，同時保持以太坊主網的安全性和去中心化。

目前Rollup 方案的兩種類型分別為Optimistic Rollup 和Zero-Knowledge Rollup（ZK-Rollup）。

什麼是Optimistic Rollup？

Optimistic Rollup 方案假設發回主鏈的交易是合法的，只有當驗證人能夠透過提交詐欺證明（Fraud Proof）來證明交易是詐騙性的，交易才會被拒絕，換句話說，Optimistic Rollups 採取「在證明有罪之前是無罪的」的方法來驗證交易。

目前Optimistic Rollup 已經能看到實際採用情形，部分原因是開發者在該網路上開發應用程式較容易，Optimistic Rollup 可以直接支援完整的智能合約功能，開發人員可以使用以太坊的程式語言Solidity 編寫應用程式。根據L2beat 的數據顯示，目前最大的Optimistic Rollup 網路Arbitrum 已經在DeFi 應用程式當中吸引了超過25 億美元的總鎖倉價值（TVL），它承載了以太坊上許多受歡迎的DeFi 應用。

然而，由於Optimistic Rollup 驗證交易的方法，它們面臨著一些挑戰，傳送回以太坊主網的資金要經歷長達一周的挑戰期（Dispute Time Delay），這給用戶帶來了不便，並破壞了可組合性。雖然Optimistic Rollups 已經改進了基於Plasma 的解決方案，如Polygon，但他們通常被認為是不如ZK-Rollups 的，Optimistic Rollups 提供高達77 倍的可擴展性提升，而ZK-Rollups 提供了高達500 倍的提升，並且無挑戰期。

什麼是ZK-Rollup？

ZK-Rollup 方案在交易打包至主網時產生加密證明以證明交易是合法的，只有在加密證明被驗證後，交易才會在以太坊上被接受，與Optimistic Rollup 不同，ZK-Rollup 採取了「在證明無罪之前有罪的」的驗證方式。

然而，ZK-Rollup 還沒有達到與Optimistic Rollup 同類產品相同的兼容性水平，因為ZK-Rollup 在每筆交易中要伴隨著有效性證明，所以它們在技術發展上更難，目前ZK-Rollup 的開發上已經能執行一些簡單的任務，例如直接轉帳和交易，雖然整合智能合約功能是有可能的，但比Optimistic Rollup 更加困難。

就在今年，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin 預測，開發完全可組合的ZK-Rollup 將需要幾年時間，然而，開發人員已經提前完成了計劃，幾個ZK-Rollups 項目正在準備部署解決方案，這些解決方案是兼具可組合性和互操作性，甚至能讓多個Rollups 互通。

ZK-Rollups 的發展將允許以太坊主網和多個第2 層網路之間共享通訊框架，網路可以共享流動性並克服第1 層區塊鏈面臨的最大的採用挑戰，基於ZK-Rollup 的網路將不需要為了讓去中心化交易所上擁有高效率交易而爭奪流動性，而是能夠以合作的方式擴展以太坊。

ZK-Rollup 還具有另一個獨特的功能，越多人交易會使交易費用變得更便宜，發送一個批次的費用不會有太大的變化，隨著更多的交易被打包在一個批次中，交易成本可以在更多的用戶中分攤，ZK-Rollups 可以打包幾乎無限量的交易，因此當有足夠的用戶時，交易的gas fee 可以減少到只要幾分錢，這個功能被稱為「有效性證明攤銷（Validity Proof Amortization）」。

雖然以太坊仍然面臨著可擴展性問題，但一些開發者已經在部署第二層ZK-Rollup 網路，承諾在智能合約、其他第二層解決方案和以太坊虛擬機之間實現完全可組合性和兼容性。

ZK-Rollup 的類型

目前有兩種不同類型的ZK-Rollup 被用於以太坊的擴展解決方案中，第一種是最被廣泛使用的類型ZK-SNARKs，全名為簡潔的非互動式知識論證（Succinct non-interactive arguments of knowledge），也是第一個被發現的零知識證明類型，專註於隱私保護的區塊鏈項目Zcash（ZEC）早在2016 年就採用ZK-SNARKs，該技術構成了ZK-Rollup 大部分開發者的資料庫和代碼，並被認為是以太坊擴展項目的一個強有力的選擇。

但SNARKs 有一個缺陷，它們需要一個初始創建事件的密鑰，這些密鑰用於創建交易所需的證明，如果可信設置事件中的密鑰沒有被銷毀，它們可以被用來憑空創造新的代幣或偽造交易。

目前備受矚目的SNARK 擴展解決方案是Matter Lab 的zkSync，該項目於2020 年6 月啟動，在其目前的迭代中宣稱每秒可處理2000 筆交易，並希望在未來實現更高的吞吐量，今年5 月時，該平台開始致力於在兼容EVM 的環境中部署智能合約，推出了zkEVM 測試網。

zkSync 目前著重於讓Ethereum 主網的過渡儘可能容易，那些想在zkEVM 上開發的人可以使用以太坊程式語言Solidity 編寫智能合約。Matter Labs 最近在a16z 領投的B 輪融資中籌集了5000 萬美元，以幫助zkSync 的發展，此外，該公司已與幾個以太坊DeFi 應用合作，如Curve、Aave 和1inch。

STARKs

另一種ZK-Rollup 方案為STARKs，全名為可擴展的透明知識論證（Scalable transparent arguments of knowledge），STARKs 比SNARKs 更有優勢，因為STARKs 完全依賴哈希函數，不需要可信的設置，這意味著STARKs 在理論上比SNARKs 更安全。

StarkWare 是第一家使用STARKs 來擴展以太坊的公司，是目前開發基於STARK 技術的主要推動者，該公司的兩位聯合創始人Eli Ben-Sasson 和Michael Riabzev 共同發明了這項技術，StarkWare 為基於STARK 的ZK-Rollups 創造了一種圖靈完備的編程語言，稱為Cairo，「StarkEx 協議」是以Cairo 語言創造的第一個產品。

StarkEx 是一種針對特定應用的擴展解決方案，目前正被幾個以太坊項目使用，包括dYdX、Immutable X、Sorare 和DeversiFi。StarkWare 即將發布的StarkNet 是一個無許可權的ZK-Rollup 網路，可以讓開發者直接在第二層建構並啟動應用程式，StarkNet 的目標是成為一個真正去中心化的多應用擴展解決方案。

StarkNet 發展示意圖

ZK-Rollup 即將改變加密貨幣社群使用以太坊的方式，隨著zkSync 和StarkNet 等高速、低成本網路的實現，更多以太坊主網上的交易將被外包至第二層，這應該會讓以太坊更接近其成為一個可擴展、安全和去中心化的區塊鏈網路的願景。

註：在撰寫此功能時，作者擁有 ETH 和其他幾種加密貨幣。