近期以太坊上的高手续费和低TPS使以太坊上的Layer2扩容之争变成了焦点。本篇文章将以市场上既有的产品为基础,从技术方案角度出发,比较当下ZKSwap方案和其他扩容方案的异同之处。在具体的展开描述之前,也将简短的介绍下目前市场上的Layer2扩容技术的基本状况。
Layer2扩容技术概述
迄今为止,Layer2市场上已经是一片繁荣,技术上不断创新,各种产品也层出不穷。对于市场上的所有的产品,从技术角度上划分,可以大体分为三类:
状态通道:通过促进链下交易来减轻以太坊的负担,具有即时存取、高吞吐的特点,其弊端是设置通道浪费耗时,并且需要在通道中支付锁定资金,同时定时监测通道状态;
侧链技术:具有独立共识规则的独立区块链,与Layer1的共识不同步,这是它的弊端;
Rollup技术:可以看作是一个高级的非托管侧链技术,它将计算放在链下,交易数据以及最新世界状态放在链上,保证了链上数据可用性。
与其他的两种方案相比,Rollup无需提前锁定代币,也不用设置自己的共识规则;而且它还可以保持和Layer1同样等级的安全性,同时方案本身具有通用性。随着Layer2技术的持续发展,Rollup技术方案也变得多样化,根据交易数据存储的位置和使用的证明方法的不同,又可以将Rollup技术细分为以下四类:
安全公司:AurumNodePool合约遭受漏洞攻击简析:金色财经报道,据区块链安全审计公司Beosin EagleEye监测显示,2022年11月23日,AurumNodePool合约遭受漏洞攻击。
Beosin分析发现由于漏洞合约的changeRewardPerNode函数未进行验证,导致攻击者可以调用该函数进行任意值设置。
攻击者首先调用changeRewardPerNode函数将每日奖励值设置成一个极大数,接下来调用claimNodeReward函数提取节点奖励,而节点奖励的计算取决于攻击者设置的rewardPerDay值,导致计算的节点奖励非常高。而在这一笔交易之前,攻击者便通过一笔交易(0xb3bc6ca257387eae1cea3b997eb489c1a9c208d09ec4d117198029277468e25d)向合约存入了1000AUR,创建了攻击者的节点记录,从而使得攻击者能够提取出该节点奖励。最终攻击者通过该漏洞获得约50个BNB($14,538.04)。[2022/11/23 8:01:04]
ZKRollup:Layer1+Validityproofs,数据存储在链上,用零知识证明来保证状态转换的有效性;
慢雾:GenomesDAO被黑简析:据慢雾区hacktivist消息,MATIC上/img/20230515210638220760/0.jpg "/>
表1.Layer2扩容方案分析表。图片说明:crs对应需要多次可信设置的zkp算法;srs对应只需要一次可信设置的zkp算法
根据上述表格可以看出:
Loopring
使用的Layer2扩容方案是基于ZKRollup方案设计的,同时也支持Validium方案,即链上数据可用性是可以选择的。该方案使用的零知识证明算法是zksnark算法,需要第三方生成可信设置。
优点是:这种算法的proof大小是常量大小的;
缺点是:可信设置是不通用的,针对不同的交易类型,都需要单独进行可信设置。因此,为了提高证明傲率,每个区块里的交易类型要求为同一交易类型,导致了如果某种类型的交易较少,那它上链的速度就会很慢,因为要等待足够的交易才打包区块。不过,在Loopring发布的协议3.6版本里可以看到,已经取消了了区块里是相同类型的交易的限制,相信会有更好的交易体验。
StarkWare
StarkWare团队研发的Layer2扩容引擎starkEx,支持Validium方案和ZKRollup方案两种模式可选。状态更新的有效性由零知识证明来保证,其用到的零知识证明算法是zkstark算法。
优点是:与常用的zksnark算法不同,zkstark算法不需要第三方的可信设置,而且其算法本身不依赖数学难题假设,具有一定的抗量子性;
缺点是:proof的大小比其他的zkp算法要大的多,生成证明需要消耗大量的计算资源和存储空间。同时,StarkWare团队研发的Layer2扩容解决方案值得期待,一种以太坊上的基于STARK的去中心化无许可L2ZK-Rollup产品,并且支持基于Cairo语言的通用计算;具体内容可参考链接starkNet。
Uniswap
使用的Unipig扩容方案是基于OptimisticRollup设计的,如前图所示,改方案存在挑战期,即在挑战期间,用户可以提供欺诈证明来验证执行者的行为是否作恶。
优点是:该方案兼容EVM,并且交易数据存在链上,保证了安全性;
缺点是:由于存在潜在的欺诈性证明,链上事务处理的时机会延缓;挑战成本昂贵,导致挑战模式基本上算是形同虚设。
ZKSwap
推出的Zkspeed扩容方案兼顾了ZKRollup、Validium和OptimisticRollup方案的特点。即实现所有与Layer1交互的交易数据全部上链,把单纯Layer2的交易数据存放在链下(Validium),交易hash数据上链,同时ZKSpeed也会提供一个完全上链的版本,这样可以实现更高的安全性,并提供零知识证明保证状态转换的有效性。
ZKSwap采用自己研发的Zkspeed与其他三个扩容方案的差异:
Zkspeed方案采用PLONK零知识证明算法,所有交易类型共用一套可信设置,如此就无需按照交易类型进行区块打包;
Zkspeed方案采用了GPU实现版的PLONK算法,相比于普通的CPU实现版本运行速度上提升了3倍以上,再加上顶尖的硬件设备,使得证明的生成时间大大缩短,大幅提高了系统的吞吐量;
ZKSwap团队经过反复研究论证,在Zkspeed方案上探索性的采用了聚合证明方案,并首先应用到AMM的DEX领域,把多个区块的证明聚合成一个证明,使得链上一次就可以完成多个区块的验证,大大的降低了交易的平均成本。
聚合证明的技术原理如下图所示:
图2.Aggregation方案
在Rollup方案里,一个很明显的技术特点就是交易的批量处理,即对区块里的所有交易的有效性产生一个证明,然后链上主合约完成证明的有效性验证。如图2左侧所示,这和原始的单个交易处理力度相比,已经有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而,ZKSwap团队发现,受限于零知识证明算法椭圆曲线参数的选取,一个区块内能批量处理的交易数量是有限的,再加上链上一次验证计算的成本高达50WGas,导致每笔交易的成本并没有低到预期。因此,ZKSwap技术团队持续进行技术应用创新的突破,并最终关注到了聚合证明方案。
如上图右侧所示,聚合证明的思想很简单,可简单表述为:把每个区块的proof当作输入,把链上验证的过程当作证明电路,证明链上的验证过程是正确的,由于验证的形式就是一个双线性配对,因此,多个proof可以进行线性组合,然后利用一次双线性配对完成所有proof的有效性验证。这样一来,多个证明的验证过程由多次变成1次,验证成本大幅降低,成本降低的幅度取决于区块聚合度,目前Zkspeed方案支持聚合上链的交易笔数可根据实际情况进行调配,20、10、5笔均支持。同时,为了探索进一步降低交易成本的可能性,ZKSwap团队追求精益求精,继续对上链数据进行聚合提交,即,多个区块一次提交,节省了一些固定成本,进一步压缩交易成本,最终实现一笔交易的成本消耗最低至1400Gas,远低于行业其他产品。
展望
遗憾的是,目前ZKSwap的方案还不兼容EVM,ZKSwap团队的愿景是构建一个支持通用EVM的Rollup扩容解决方案,使得其他应用无需重新编写智能合约就能实现快速迁移,目前ZKSwap团队已经投入研究,并取得了一些进展。除此之外,starkWare和MatterLabs分别开发了starkNet和zinc的Layer2扩容解决方案,需要用对应新设计的DSL语言来编写证明逻辑,虽然此方案不算完美,但也算是一个阶段性的研发成果。未来ZKSwap团队愿和其他团队一起,共同致力于以太坊的Layer2扩容建设。
撰文:江小白
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