ZK-Rollups 和扩展以太坊的途径

随着使用以太坊的成本增加，扩展网络的需求变得比以往任何时候都更加明显。 零知识汇总技术有望在不影响去中心化和安全性的情况下降低 gas 费用。

以太坊的可扩展性问题

高昂的gas费用已成为以太坊的一个主要问题。

由于交易费用以 ETH 支付，因此当资产价格上涨时，使用网络的成本就会上升。 ETH 今年上涨了 460%，这意味着以美元计算的交易成本也上涨了 460%。

交易费用还取决于网络拥塞的程度。 由于当今对以太坊区块空间的需求巨大，因此gas费用也很高。

使用网络的高昂成本使许多用户无法参与 DeFi、NFT，甚至参与 DAO。 由于以太坊的费用，许多加密爱好者已经迁移到其他第 1 层区块链，例如 Solana 和 Avalanche。

在过去的几年里，已经开发了几种扩展解决方案来帮助缓解以太坊的拥堵并降低交易成本。 Polygon 于 2019 年推出，可以说是第一个获得显着牵引力的以太坊扩展解决方案。 该网络使用称为 Plasma 的扩展解决方案，它将交易从主以太坊区块链卸载到专用侧链。 Curve 和 Aave 等许多以太坊原生 DeFi 应用程序今年已在 Polygon 上推出。

虽然 Polygon 通过提供低费用成功吸引了用户，但它经常被批评为不是真正的扩展解决方案。 Polygon 使用由其自身管理的 Proof-of-Stake 共识机制 一组节点验证器. 这意味着它不使用以太坊主网来验证交易，因此通常被认为不那么安全和去中心化。 只有 100 个验证器管理 Polygon。 根据数据来自 多边形扫描， 顶部验证器地址占 超过 27% 的网络。

在过去的一年中，另一种称为汇总的扩展解决方案在以太坊社区引起了轰动。 目前，以太坊上的每笔交易都包含与智能合约交互时所需的所有计算数据。 由于区块空间有限，以太坊很容易变得拥挤，导致交易确认缓慢和高昂的gas费用。

Rollups 提供了一种外包计算数据并将有效性证明发送回以太坊主网的方法。 这节省了块空间并允许将交易捆绑在一起，进一步减少提交到主网的数据量。 当交易捆绑在一起时，gas 费用会在许多用户之间分摊。 Rollups 为用户提供接近即时的交易速度，并且可以将费用降低 50 到 200 倍，同时保持 以太坊主网的安全性和去中心化。

什么是零知识汇总？

汇总有两种形式： 乐观和零知识。 乐观汇总假设发送回基础链的交易是合法的。 只有当有人通过提交欺诈证明来证明他们是欺诈行为时，交易才会被拒绝。 换句话说，Optimistic Rollups 采用“无罪直到被证明有罪”的方法来验证交易。

相反，零知识汇总，也称为 ZK-Rollups，生成加密证明，证明交易在发送回主网时是合法的。 只有在验证密码证明后，以太坊才接受交易。 与 Optimistic Rollups 不同，ZK-Rollups 采用“有罪直到证明无罪”的方法进行验证。

目前，Optimistic Rollup 的采用率最高，部分原因是在其上开发应用程序很容易。 Optimistic Rollups 可以直接在功能上支持完整的智能合约，开发人员可以使用以太坊的原生编程语言 Solidity 编写应用程序。 数据来自 L2beat 显示当今最大的 Optimistic Rollup Arbitrum 已经吸引了超过 25 亿美元的总价值锁定在 DeFi 应用程序中。 它在以太坊上托管了许多最流行的 DeFi 应用程序。

然而，Optimistic Rollups 面临一些挑战。 由于他们验证交易的方法，发送回以太坊主网的资金会受到长达一周的争议期。 这给用户带来了不便并破坏了可组合性。

虽然 Optimistic Rollup 比基于 Plasma 的解决方案（如 Polygon）有所改进，但它们通常被认为不如 ZK-Rollups。 乐观汇总有争议期和报价 可扩展性改进 高达 77 倍。 ZK-Rollups 没有争议期，它们提供高达 500 倍的改进。

然而，ZK-Rollups 尚未达到与 Optimistic 对应物相同的兼容性水平。 因为 ZK-Rollups 每笔交易都有有效性证明，所以他们的技术更难构建。 ZK-Rollups 已被开发用于处理简单的任务，如直接转账和交易。 虽然集成智能合约功能是可能的，但事实证明要困难得多。

就在今年，以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 预料到的 完全可组合的 ZK-Rollup 的开发需要数年时间。 然而，开发商提前了。 一些 ZK-Rollup 正准备部署可相互组合和互操作的解决方案，甚至跨汇总。

ZK-Rollups 的开发将允许以太坊主网和多个第 2 层网络之间的共享通信框架，网络可以共享流动性并克服第 1 层区块链面临的最大采用挑战。 基于 ZK-Rollup 的网络不需要为了通过去中心化交易所提供高效交易而竞争流动性，而是能够合作扩展以太坊。

ZK-Rollups 还有另一个独特的功能。 由于每批交易的费用计算方式，随着越来越多的人使用它们，交易变得更便宜。 发送一批的成本不会有太大的变化，因此随着更多的交易捆绑在一批中，gas 成本可以分摊给更多的用户。 ZK-Rollups 可以捆绑几乎无限数量的交易，因此如果有足够的用户，交易的 gas 费用可以减少到几美分。 此功能称为有效性证明摊销。

虽然以太坊仍然面临可扩展性问题，但一些开发人员已经在部署第 2 层 ZK-Rollup 网络，承诺智能合约、其他第 2 层解决方案和以太坊虚拟机之间的完全可组合性和兼容性。

ZK-Rollup 的类型

目前在以太坊扩展解决方案中使用了两种不同类型的 ZK-Rollup。

第一种也是最广泛使用的 ZK-Rollup 类型使用 ZK-SNARKs——简洁的非交互式知识论证。 SNARKs 是第一种被发现的零知识证明； 早期的区块链项目 Zcash 早在 2016 年就使用了它们。 SNARK 构成了大多数 ZK-Rollup 开发人员库和已发布的代码，被视为以太坊扩展项目的强大选择。

SNARK 的一大缺点是它们需要 用于创建交易所需证明的密钥的初始创建事件。 如果可信设置事件中的密钥没有被销毁，它们可用于凭空创建新令牌或伪造交易。

目前最著名的基于 SNARK 的扩展解决方案是 Matter Labs 的 zkSync 项目。 zkSync 于 2020 年 6 月推出，承诺在当前迭代中每秒处理 2,000 笔交易，并希望在未来实现更高的吞吐量。 5 月，随着 zkEVM 测试网的推出，该平台开始致力于在 EVM 兼容环境中部署智能合约。

zkSync 的主要重点是尽可能轻松地从以太坊主网过渡。 那些想要在 zkEVM 上进行开发的人可以使用以太坊的编程语言 Solidity 编写智能合约。 物质实验室最近 提高 5000 万美元用于在由 Andreessen Horowitz 领导的 B 轮融资中帮助 zkSync 的开发。 此外，该公司还与 Curve Finance、Aave 和 1inch 等多家以太坊 DeFi 蓝筹股合作。

另一种类型的 ZK-Rollup 使用 STARKs——可扩展的透明知识参数。 STARK 与 SNARK 相比具有优势，因为它们完全依赖哈希函数并且不需要可信设置。 这意味着 STARK 理论上比 SNARK 更安全，这使它们成为以太坊基金会的最爱。

StarkWare 是第一家使用 STARK 扩展以太坊的公司，目前是开发基于 STARK 的技术的主要推动力（StarkWare 的两位联合创始人 Eli Ben-Sasson 和 Michael Riabzev 共同发明了该技术）。 StarkWare 为基于 STARK 的 ZK-Rollups 创建了一种名为 Cairo 的图灵完备编程语言。 它使用开罗创建了它的第一个产品 StarkEx 协议。

StarkEx 是一种特定于应用程序的扩展解决方案，目前被多个以太坊项目使用，包括 dYdX、Immutable X、Sorare 和 DeversiFi。 StarkWare 即将发布 StarkNet，这是一个无需许可的 ZK-Rollup 网络，可让开发人员直接在第 2 层上构建和启动应用程序。 StarkNet 的目标是成为 真正的、去中心化的、多应用扩展解决方案。

ZK-Rollups 即将改变加密社区使用以太坊的方式。 随着 zkSync 和 StarkNet 等高速、低成本网络的实现，以太坊主网上的交易将越来越多地外包给第 2 层。这将使以太坊更接近其成为可扩展、安全和分散的区块链网络的愿景。

披露：在撰写此功能时，作者拥有 ETH 和其他几种加密货币。