以太坊扩容方案之zkRollup

1. 引言

2020年6月18日，以太坊的研究团队Matter Labs宣布已将zkSync部署至以太坊主网。
所谓zkSync，是一种基于zkRollup构建的Layer 2 扩容工具。
自此，用户可在zySync上存取转账代币。

zkSync最主要的功能就是token transfer 代币交易：
用户可将其现有以太坊钱包连接至zkSync，提取、发送或接收代币至zkSync钱包。
zkSync目前还不支持智能合约部署。不过其基于Zinc和Solidity构建的高效、安全、图灵完备的多语言智能合约的版本正在开发中。

zkSync的主要目的是提升交易容量，并减轻以太坊的网络压力。
借助zkSync，可实现2000tps的吞吐量（接近于VISA的平均吞吐量），平均每个交易的费用接近0.01美金（大幅削减了交易费用）。
与此对比鲜明的是，以太坊区块链当前的平均吞吐量为15tps，且其平均gas费用由2020年1月的10Gwei 飞涨至 2020年6月时的40Gwei，这意味着，以2020年6月时的ETH价格为基准，每笔交易的费用在0.2美金。

1.1 以太坊现有Layer2 扩容方案对比

详细可参见Vitalik 2021年1月5日博客 An Incomplete Guide to Rollups。相应的中文翻译见 V神带你读懂以太坊扩展性解决方案 Rollup。

根据 以太坊路线图 EthHub 可知，目前以太坊的Layer2扩容方案主要有：

• 1）ZK-Rollups：如，现有已主网上线的zkSync。
• 2）Optimistic Rollups：
• 3）Plasma：
• 4）State channels：
• 5）Payment Channels：
• 6）ZK-STARKs：
• 7）Commit-Chains：
• 8）Sidechaines：

各种Layer 2 扩容方案对比为：

2. zkRollup

zkSync是基于zkRollup技术构建的。

zkRollup为一种Layer 2 扩容架构，由以太坊的研究员提出，其特点是：

• 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；
• 可降低存储成本；
• 链下计算的正确性由零知识证明算法保证；
• 可大幅提高tps；
• 可降低单次交易的费用。

其将交易存储在sidechain中，而不是直接记录在以太坊层，从而可以节约以太坊层的网络空间。zkRollup会将一系列交易的状态打包进区块，然后发布到以太坊层。其中的“zk”是指zero-knowledge proofs，即zkRollup可在发布到以太坊层之前，证明区块中状态的有效性。

目前致力于zkRollup的初创公司主要有：

• Matter Labs
• Loopring （关注基于zkRollup的去中心化交易所方向）
• DeversiFi （来自于Starkware团队）

2.1 zkRollup 项目及相应生态产品

截止2021年初，基于zkRollup构建的相关项目及其生态产品主要有：

基于zkRollup的解决方案主要有：

扫描二维码关注公众号，回复： 12681994 查看本文章

• zkSync
• loopring
• starkware
• zkSwap
• aztec
• Hermez

2.1.1 zkSync相关生态产品

zkSync由Matter Labs负责发起，为a trustless，secure,user-centric protocol for scaling payments and smart contracts on Ethereum。

基于zkSync的产品有：zkWallet

基于zkSync的已发布的相关生态产品有：

• Numio：Numio致力于让所有人都更易于使用加密支付和加密存储应用。Numio app是世界上第一个在谷歌Play应用商店推出的非托管、支持zkRollup的以太坊移动钱包。
• Gitcoin：Gitcoin 是旨在开源的以太坊悬赏平台，区块链项目可以于此用一定的报酬找到需要的开发者。Gitcoin目前主要有六个产品：Bounties（悬赏）、Hackathons（黑客马拉松）、Grants（资助）、Kernel、Quests（任务）和Kudos。
• Golem：Golem是一个着眼于共享电脑闲置CPU和GPU资源的peer-to-peer 网络。
• StablePay：StablePay为去中心化的支付解决方案，使得用户可用代币在线支付以美元计价的产品和服务。

基于zkSync的开发中的相关生态产品有：

• Curve：为类似Uniswap的以太坊上的交易所流动性池，设计用于：1）提供极其高效的稳定币交易；2）为流动性供应商提供低风险补充费用收入，无机会成本。
• Balancer：Balancer池为一个自动做市商，具有某些关键属性，使其能够作为一个自平衡加权投资组合和价格传感器发挥作用。
• Argent：为简单安全的加密货币智能数字钱包。
• MYKEY：是基于KEYID协议开发的，在多个公链（EOS、以太坊和Tron等）上实现的自治身份管理的智能钱包。

2.1.2 LoopRing方案相关生态产品

LoopRing：为基于zkRollup的交易和支付协议。

LoopRing的代币为LRC。

LoopRing相关产品有：
Loopring交易所和手机钱包。

LoopRing相关生态产品有：

• Gitcoin：Gitcoin 是旨在开源的以太坊悬赏平台，区块链项目可以于此用一定的报酬找到需要的开发者。Gitcoin目前主要有六个产品：Bounties（悬赏）、Hackathons（黑客马拉松）、Grants（资助）、Kernel、Quests（任务）和Kudos。
• Rails：允许将ETH和任何与ERC20 兼容的token由钱包转移给Loopring L2的任何其他人。
• pNetwork：为pTokens系统的管理层。pTokens支持跨链交易。

2.1.3 StarkWare方案相关生态产品

StarkWare：使用STARK技术来提升区块链的可扩展性和隐私性。STARK技术可提供零知识、简洁、透明（无需trusted setup）以及后量子安全的密码学证明。

StarkWare 方案暂无相关代币。

StarkWare 相关生态产品有：【参见StarkWare官方博客 On the Road to StarkNet: A Permissionless STARK-Powered L2 ZK-Rollup】

• StarkNet：为以太坊构建的基于STARK构建的L2 zkRollup方案，具有分布式、非许可的、可抵制审查的特征。可采用图灵完备的 Cairo语言 来为general computation 编写相应的 provable programs。
  

2.1.4 zkSwap方案相关生态产品

zkSwap：为基于zkRollup+AMM的去中心化交易所，代币为ERC20 token ZKS。
zkSwap已于2021年2月14日在以太坊主网上线。

zkSwap相关产品有：zkSwap 钱包

2.1.5 Aztec方案相关生态产品

Aztec：Aztec协议旨在通过使用zk-SNARKs隐私算法来加密区块链数据，从而促进公有链上的隐私保护。

Aztec 方案暂无相关代币和生态产品。

2.1.6 Hermez方案相关生态产品

Hermez：为trustless ZK-Rollup，重点关注以太坊各种wings之间的可扩展支付和token交易。

Hermez 代币为 HEZ。

2.2 Why zkRollup?

Plasma为构建扩容性方案的统称，它以侧链的形式将第2层区块放置在以太坊区块链的顶部。

Plasma的具体实现为：
将数百个侧链的交易以离线的方式处理，只将侧链区块的单个hash值添加到以太坊区块链中。

由于以下缺陷的存在，使得Plasma无法满足进一步扩容要求：

• side chain中游戏用户的退出，需要用户保留足够大量的数据以满足验证需求；
• lengthy challenge 周期需要用户保持在线，否则会丢失奖励。

为了更友好的用户体验和更少的资源需求，需要更好的Layer 2扩容方案——zkRollup就是其中之一。

与Plasma为每个transfer创建一个transaction不同，zkRollup可将数百个transfer 卷为 一个单独的transaction。然后通过智能合约来析构和验证这个transaction中所有transfer的正确性。

2.3 What’s zkRollup?

zkRollup中包含两种类型的用户：

• transactors 交易员：创建transfer并将该transfer广播至网络。
• relayers 转播员：收集大量的transfer然后创建一个rollup。

transfer中包含的数据有：

• 以“to”和“from”索引的地址；（压缩版的地址表示仅需3个字节，可节约处理资源。）
• 交易的金额；（交易金额大于0表示存钱；交易金额小于0表示取钱。）
• 网络费用；
• nonce。

1）智能合约将以上transfer数据以两棵Merkle Tree方式存储：

• 将地址存储在一个Merkle Tree中。
• 将交易金额存储在另一个Merkle Tree中。

2）由relayer来创建SNARK proof。
SNARK proof为区块链状态增量的hash值。此处状态是指：“state of being”。
SNARK proof将 transfers发生之前区块链的快照 与 transfers发生之后的区块链快照进行对比，然后仅对二者之间的差量变化以verifiable hash的方式发送到主网中。

值得注意的是，只要在智能合约中抵押有符合要求的债券，任何人都可以称为relayer。这将激励relayer 既不篡改rollup，也不阻止rollup。

运行zkRollup的dapp用户将支付更少的交易费用。
创建零知识证明需要大量的算力，其implementation为“commit-verify”方法。区块的延迟确认情况将增多，因为SNARK proof将延迟多个区块。直到implementation完成，否则用户无法直到具体将延迟多少个区块。

2.4 zkRollup的优劣势

zkRollup的优势为：

• 降低了每笔用户交易的费用；
• 比 Optimistic Rollup和Plasma都快；
• 区块可以并行计算的模式计算，这将促进去中心化；
• 在每笔交易中包含的数据更少，将有利于增加Layer 2的吞吐量和可扩展性；
• 不需要像Optimistic Rollup那样的fraud game verification，Optimistic Rollup的提款到帐期长达两周。

zkRollup的劣势为：

• 计算零知识证明的难度较高，需要对其进行数据优化以进一步提升吞吐量；
• zkRollup的初始setup需要一种中心化的机制；
• zkRollup的安全机制具有一定程度的unverifiable trust；
• 量子计算可对zkRollup 区块链形成威胁。

3. 为何需要用zinc等专有语言来重写智能合约？

以太坊的智能合约已有Solidity和Vyper语言，为何在ZKSync 中，需要引入Zinc这种语言来重写智能合约？

• 现有的大多数ZKP框架，如Zokrates、Circom、SnarkJS、gNARK等，设计初衷都是用于创建circuits、quadratic arithmetic programs以及internal represetantions。
  Zinc是一种新的尝试，它将智能合约引入ZKP框架，为safety和security提供了良好的保证。其设计初衷定位是：为ZKP电路优化的智能合约语言。

参考资料

[1] iden3 团队博客 zkRollup
[2] iden3 2019年12月12日博客 Istanbul, zkRollup, and Ethereum throughput limits: an analysis
[3] 以太坊路线图 EthHub Layer2 扩容方案 ZK-Rollups
[4] idex 2019年11月6日博客 Rollup Rundown
[5] matter labs 2019年11月4日博客 Optimistic vs. ZK Rollup: Deep Dive
[6] Joel Kite 2021年1月28日 medium博客 A Brief Guide to zkRollup Projects and Products — January 2021
[7] Loopring’s zkRollup AMM is Live
[8] matter labs zksync
[9] matter labs zinc
[10] PlasmNetwork ZKRollups
[11] zkRollup 入门培训
[12] 2020年2月12日 Episode 116 zkSync and Redshift: Matter Labs update
[13] 2020年7月15日 Episode 138 Validium with DeversiFi & Starkware
[14] 2020年9月2日 Episode 145 Circom & Hermez with Jordi Baylina
[15] 2020年10月14日 Episode 151 John Adler on Optimistic vs ZK Rollup and the data availability problem
[16] 2020年12月23日 Episode 161 Loopring with Matt & Brecht
[17] John Adler 2019年11月6日medium 博客 The “Why”s of Optimistic Rollup
[18] PANews官方 新闻 ZKSwap提出實用zkrollup協議ZKSpeed，可大幅提高TPS並降低Gas費用
[19] eth research 讨论 DoS attack against zkRollup proof generation?
[20] What is a ZKRollup? And how does it work in scaling a DAPP?
[21] IPFS 报告 Scaling blockchains zkRollup
[22] 新闻 Aztec 2.0：以隐私性为核心的zkRollup Layer 2方案
[23] Alex Gluchowski 2020年6月18日博客 zkSync is Live! Bringing Trustless, Scalable Payments to Ethereum
[24] AztecProtocol rollup 代码实现
[25] Vitalik 2021年1月5日博客 An Incomplete Guide to Rollups