簡析 ZK-Rollup 為何是以太坊最佳擴容方案?

原文標題：《StarkNet Alpha——以太坊最強擴容之路》

作者：Thonee

ZK Rollup擴容方案StarkNet Alpha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gasfees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gasfee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（來源：Glassnode）

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Polygonscan的數據，只有100個驗證者管理Polygon網路，最大的驗證節點地址占其整體網路驗證區塊的27%以上。

Polygon網路前25大區塊驗證佔比（來源：Polygonscan）

Rollup擴展解決方案

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，Gasfee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）。

什麽是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gasfee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（Succinctnon-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，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。

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EliBen-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、ImmutableX、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（來源：StarkWare）

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。