怎样进行ZKSwap探索研究

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ZKSwap 探索研究

ZK Rollup和Optimistic Rollup - 以太坊重要的扩展方向

前言：多年来，扩展性一直困扰着公链。关于扩展性的解决方案有的在概念论证中，有的在研发中。Optimistic Rollup和Zk Rollup也是扩展性的解决方案，并引起了加密社区的浓厚兴趣。那么，到底什么Optimistic Rollup和ZK Rollup？哪一种技术路线会赢得以太坊扩展的未来？不管道路如何曲折，之前的努力是否有用（如plasma等技术解决方案），但以太坊的扩展之路一直在前进，满足主流场景并非遥不可及。本文作者Alex Gluchowski，由蓝狐笔记社群的“JOKO”翻译。

简介

Optimistic Rollup是一种很有希望在短期内扩展以太坊上通用智能合约的技术。如果构建足够快，它能够提供可以轻松迁移现有dApp和服务的方法，且能合理权衡安全和可扩展性。这将使得ETH1.0能够满足不断增长的需求。

ZK Rollup是一种更加复杂的技术。它如今可以用于代币转移和特定应用。然而，要在通用智能合约上实现还需要更长一些时间，并且要想高效地将EVM包裹于ZKP中甚至还需要更多的研究工作。（蓝狐笔记：ZKP是指零知识证明）

不过，一旦ZK Rollup完全开发出来，所有现有的以太坊dApp和服务都能够平滑且轻松地迁移过去。

ZK Rollup将会解决Optimistic Rollup上的几个基本问题：

消除让人讨厌的尾巴风险：通过复杂但可行的攻击向量盗取资金；

将提取资金时间从1-2周减少至几分钟；

支持快速交易确认并以无限制的数量退出；

默认引入隐私。

Optimistic Rollup对ZK Rollup来说是个好消息。向Layer 2扩展的过渡要求对钱包、预言机、dApp、用户习惯的重大改变。Optimistic Rollup有助于为这一行动做好生态系统的准备，将扩展性带入这些尚不能基于ZK Rollup构建的dApp。这给予ZK Rollup足够的时间发展成熟，并使其实现完全无缝的采用，与此同时维持以太坊的增长势头。

Rollup 101

• 什么是Rollup？

Rollup是类似于Plasma的Layer-2扩展性解决方案：单个主链合约持有所有资金，并对较大的“侧链”状态（通常是账户、余额及其状态的Merkle树）进行简洁的加密承诺。侧链状态由用户和运营商链下维持，且不依赖于Layer 1的存储（这是最大的扩展性胜利的源头）。

将Rollup和Plasma区分开来的是它解决了Plasms的巨大问题：数据可用性，其方式是通过Layer 1网络为每笔交易发布一些数据（在以太坊，专门为此目的使用tx CALLDATA）。

因此可以在单个Rollup区块中将数千个交易捆绑在一起。尽管此方法的成本严格地呈线性增长（交易数量的O(n) ），但它在吞吐量上实际可提升100倍，因为CALLDATA比Layer 1存储和计算要便宜。

Rollup已经被Vitalik Buterin反复认可为其最喜欢的Layer 2可扩展性解决方案。根据如何确保状态转换的正确性，有两种Rollup方式：ZK Rollup和Optimistic Rollup。

• 什么是ZK Rollup？

在ZK-Rollup中，运营商必须为每个状态转换生成一个SNARK（蓝狐笔记：简洁非互动的知情证明，Succinct Non-interactive ARgument of Knowledge），并由主链上的Rollup合约进行验证。此SNARK证明存在一系列由所有者正确签名的交易，这些交易以正确的方式更新了账户余额，并使得Merkle root从旧到新。因此，运营商不可能提交无效或操纵的状态。

• 什么是Optimistic Rollup？

在Optimistic Rollup中，新状态根由运营商发布，且无需每次都由Rollup智能合约检查。相反，每个人都希望状态转换是正确的。但是，如果发布了不正确的状态转换，其他运营商或用户（必须观察在Layer 1 Rollup 合约中的情况，执行每个单笔交易）将能够指出错误的交易，并还原错误的区块，消减恶意运营商的押金。Optimistic Rollup的概念最初由John Adler提出的。

接下来，让我们比较一下ZK Rollup 和Optimsitc Rollup。

灵活性：通用计算

• Optimistic Rollup

尽管Optimistic Rollup可用于特定的应用，但是Plasma Group最重要的创新是OVM（Optimistic Vitual Machine）。OVM支持任意智能合约逻辑的实现。

几乎任何在以太坊上能实现的同样可以在OVM上实现，这其中包括智能合约的可组合性。它基于EVM，EWASM或任何其他虚拟机。关于OVM的好处是，如果它与EVM一起使用，它将支持用Solidity编写代码。因此，大部分现有的代码库都可以轻松移植到Optimistic Rollup上。

如果OVM可以直接重用现有的EVM字节码，那会是理想的选择，但这可能不是那么简单。正确的实现方式将要求更改交易数据（CALLDATA）格式，并要求复杂的Truebit/Plasma Leap风格的挑战/响应协议的实现，以提供欺诈证明。

这可能会导致与EVM产生分歧，从而导致无法正确处理边缘情况，这意味着仍然需要做一些工作才能适应当前的OVM合约。实施的另外一个挑战在于，大型区块的欺诈证明可能需要比Layer 1区块gas limit所允许的更多的gas。那么，这些欺诈证明必须被分解为多个ETH交易。

• ZK Rollup

迄今为止，所有现有的ZK-Rollup实现聚焦于特定的操作，例如代币转移或原子交换。这其中有几个主要原因。

首先，没有一种有效的技术可用于针对不同ZKP的简洁递归证明组合，这需要将不同智能合约的执行汇总到一个区块中。我们最好的方法是在椭圆曲线的循环上使用Groth26（由Coda使用），这需要在较长的字段上进行计算，并且对于大型计算完全没有效率。

其次，即使我们的字段较短，Groth26也会为每个智能合约和每个新版本要求一个单独可信的设置仪式。显然，这绝对是不现实的。无须可信设置的唯一有效的ZKP技术是基于FRI的STARKs。但是，验证程序仅对有限的一类问题（可以表示为简洁的算术电路）是简洁的。

STARK验证程序必须对被证明的计算语句的每个约束至少执行一次，这意味着我们无法迭代异构智能合约的集合。

随着SNORKs的出现，一切都发生改变。SNORK是基于稍微不同的一组加密原语（著名的多项式承诺方案）的新一代ZKP。由Sean Bowe在Sonic中率先开发，在2019年夏季PLONK和Marlin紧跟其后。所有这些都有一个共同点：尽管依然需要可信设置，但现在它是通用且可更新的。完成一次之后，它可以随时将其重用于任何数量的不同程序。

然而，在这些证明系统中使用的Kate多项式承诺方案依然需要高效的椭圆曲线循环来进行递归，而目前尚不可用。这就是我们为什么对最新的完全简洁和透明（无可信设置）的证明系统感到兴奋，例如Halo、SuperSonic、Fractal，以及Matter Labs团队最近在折腾的让人兴奋的事情。

长话短说：在ZKP上构建通用智能合约的障碍现在已经被移除。ZK Rollup完全能够支持与EVM相同的编程模型，包括无缝可组合性和可互操作性。尽管Solidity开发者的学习曲线不会超过一天，但最初的合约可能需要专用的DSL。最终，鉴于ZKP证明者技术的当前发展步伐，我们期望所有的现存ETH（甚至EWASM）合约都能以最小的努力有效地移植过来。

可扩展性&交易成本

• Optimistic Rollup

    根据John Adler的说法，在EIP2028/伊斯坦布尔之后，目前的估算是每笔转账tx大约4k的gas。
    
    这意味着，相当于大约100tps。
    
    使用BLS聚合签名，此数字最多可以上升到大约500tps（为了不破坏EVM兼容性，tx参数将可能会保留很长时间）。
    
    如果EVM兼容性遭到破坏，则理论上吞吐量可能会增长到ZKP的极限。

实际吞吐量上限（代币转移）：500tps

目前可能还不错。

• ZK Rollup

在Matter Testnet中每笔转移tx的公共数据成本当前是16bytes，这将在EIP2028/伊斯坦布尔后花费272gas费用。

此外，将会有证明的摊销费用，预计大约为30万gas。

即使我们假定最坏的情况，需要100万gas证明成本，但估算的转账上限仍将超过2140tps。

在一些讨论中，可以听到人们争论说ZKP会产生大量的计算开销，由此价格昂贵。实际上，与gas成本相比较，计算成本可以忽略不计，这是真正的瓶颈，因为抗审查的分散化。我们也期望这个因素会随时间的推移而显著下降。

实际吞吐量上限（代币转移）：超过2000tps —— 类似于Visa的规模。

但是，在许多用例中，ZK Rollup将节省更多，因为可以从公共数据中省略大块部分（通过将它们移至ZK电路证明），而无须重构状态转换增量。

核心见解是：尽管Optimistic Rollup始终要求用户发布完全的交易输入，而在ZK Rollup中，我们可以灵活地在如下两者间选择：1）交易输入减去不影响状态转换的见证人 2）仅交易输出。可以非常优雅地实现这一选择，而无须太多复杂性。

著名的例子：

在多签钱包，具有Argent风格账户抽象的钱包或去中心化交易所，用户需要提交签名以获得合约的验证。这些签名对于状态增量更新是非必需的，可以从公开数据中省略。

像Gnosis的Dfusion Dutch DEX这样的合约要求大量的数据集输入，这些输入不会直接影响存储，但仅用于验证计算结果。

• ETH 2.0之后

由于任何Rollup将位于单个分片中，因此，CALLDATA的成本（以及Rollup交易成本）不太可能发生很大的变化，除非带宽通常变得更便宜。

元交易

两种类型的Rollup都非常适合支持元交易和账户抽象。

安全

• Optimistic Rollup

与支付通道不同，Rollup中的所有资金都由单个智能合约持有。既然Rollup是最有希望的扩展方向，我们应该看到大量的用户迁移其中，且很多价值集中于这类合约。持有数千万上亿（甚至数十亿）美元价值的资产，对于知名黑客来说，Rollup合约正变成非常有吸引力的蜜罐，如果攻击有机会，那么，无论多么复杂，都有可能会尝试进行。

Optimistic Rollup的安全模型基于两个假设：

1. 至少在n个节点中有1个诚实节点执行所有Optimistic Rollup交易，并且在无效状态转换发布时提交欺诈证明；

2. 底层Layer 1网络有强大的抗审查性

• N个节点中至少有一个诚实节点参与者

对于第一点，现实的期望是，只有Rollup的运营商才会实际监控和执行交易。普通用户既没有动力也没有技术能力来处理高负载的交易（如果他们可以，扩展来源于哪里？）幸运的是，运营商自然地有动力去检查彼此区块的正确性，因为基于无效区块上搭建区块会被消减资产。

有足够的可信参与者，N个节点中有1个诚实节点运营商是合理的假设。但是，既然活跃参与者的数量有限（几百个？），一些复杂的攻击可能包括：针对所有运营商的基础设施（非常困难但并非不可行），贿赂/勒索开发工程师秘密安装恶意代码，针对Rollup软件的更新分发渠道等，当然，还可能是这些攻击的组合。

这些攻击很难实现，但应该积极防御，但比起用同样的方式攻击以太坊矿工，这些攻击要更加现实，尤其是因为对Optimistic Rollup的成功攻击直到完成后才会被注意到。

• 强大的Layer 1抗审查性

第二个假设是棘手的假设。实际上，以太坊的设计提供了经济机制，它对抗普通审查非常有效。但是，在出现反机制时，这些机制会停止起作用。攻击者可以创建完全自动的贿赂机制来协调矿工的51%攻击，这会阻止诚实矿工将欺诈证明包含在其区块中。

有趣的是，对于参与的矿工来说，此次攻击的直接成本为零，如果可以明确地归因于审查，则不计入由愤怒社区反应所产生的社会成本。这部分也很棘手，因为该机制为攻击的参与者提供了合理的可否认性：“鉴于攻击者多数的可信承诺，如果我不参与，我的区块会被抛弃，所以，我必须这么做，不是为了利润，而是为了避免损失。”

不幸的是，在PoW下，这种攻击非常现实。没有什么有效的方法来惩罚参与其中的匿名矿工。在转向PoS后，社区将可以通过消减矿工的质押权益来惩罚他们，如果达成广泛的社会共识。

毕竟，这样的审查攻击可以被视为对整个网络的侵略，尽管也可以说，矿工只是简单地诚实地遵循协议，且没有义务以违背其最佳经济利益方式行事。

但是，在DAO分叉后，至少可以说，这将是非常有争议的讨论，其结果无法预测。在Vitalik最近进行的一次社区民意测验中，无论遇到什么程度的攻击，63%的投票者反对对不可变的区块链进行任何人工干预来救助用户。不用说，要清除即使一个验证者的权益（蓝狐笔记：此处是指质押资金）也非常困难，更不用说清除大多数验证者的权益。

最近发布了更多关于串通合谋的研究，以及针对PoS环境中欺诈证明的新攻击，这表明在PoS中Optimistic Rollup的审查攻击风险至少与PoW一样高。

抵抗这种攻击的更现实的方法是在UASF（用户激活的软分叉）中社区的快速动员，以迫使矿工将某些交易包括进来。从工程和社会的角度看，这种场景都是复杂的，且将肯定要求相对长的挑战期窗口，以提供欺诈证明，至少一周，最好两周。

同时，鉴于主要的DeFi运营商在决定这种分叉的结果时处于有利位置，且避免吵闹的干扰事件符合其最大利益。所以，他们的最佳选择可能只是静静地遵循攻击者（这将使以太坊保持最长链，并产生比成功软分叉更少的争议）。

总的来说，欺诈证明审查的风险相对较低，但不可忽略。

由于存在1-2周的欺诈证明挑战期，并且没有太多资金的利害关系，Optimistic Rollup可能是没有问题的：运营商/矿工合谋将不值得麻烦和冒风险。但是，如果rollup中的价值升高，潜伏的黑天鹅将会变得越来越让人担忧。

• ZK Rollup

在ZK Rollup中，在其变为有效之前，每个状态转换都通过Rollup智能合约进行验证。严格来说，运营商无法盗取资金或破坏Rollup状态。ZK Rollup依赖于Layer 1的抗审查性，只是为了其活性，而不是为了安全性。无须任何人来监控ZK Rollup，在区块验证后，用户资金总是保证最终能被收回，即使运营商拒绝合作。

因此，ZK Rollup更充分地体现了加密世界的基本理念：通过密码学和博弈理论激励机制来取代可信方，以实现弹性。但是，为了完整起见，我必须提到ZK Rollup特有的一些潜在风险。

可信设置

如果在ZK Rollup中使用的ZKP需要通用的可信设置，则我们将得出“N分之一”诚实参与者的假设。根据参与者的数量和质量，这可能是可接受的风险，也可能是不可接受的风险。但安全是安全的，这就是为什么我对高效无须信任的SNARKs最新进展感到非常兴奋的原因，尤其是Matter Labs正在进行构建上。

密码学

与Groth26相比，最新一代的SNARKs正在使用的是更多经过实践检验的加密原语。Matter Lab的工作基于FRI，因此甚至可以说是具有后量子的安全性。但是，要完全冷静下来，应该应用两种缓解策略：

• 与RSA挑战类似，必须以比实际产品版本更低安全参数来部署大量奖金。如果发现了实际攻击，研究者会在产品代码被破坏数年前克服挑战。

• 所有状态转换必须仅由ZKR的运营商发送，而ZKR的运营商实质上充当双重验证的保护层。

延迟（达成可验证最终性所需的时间）

• Optimistic Rollup

由于上面安全性部分提到的问题，仅在1-2周欺诈证明的挑战窗口期内Optimistic Rollup才能是安全的。在这段时间过去之前，任何交易都不能认为是最终的，内部Rollup tx和退出都不是最终的。

不幸的是，对于最终用户来说，检查交易是否具有最终性，没有比通过整个上一次挑战期执行所有交易更快的方法了。需要特别注意的是，用户无法单纯依赖博弈理论来保证区块的最终性，因为单个运营商节点中的漏洞或（黑客入侵）仍可能导致还原。

最终性的时间（PoW下）：2周

最终性的时间（PoS下）：1周

• ZK Rollup

当前ZKP计算上很密集。目前，对于1000tx的区块，我们可以在普通服务器硬件上有20分钟证明生成时间。正在进行的GPU证明程序实现（Matter Labs和Coda实施）有望将tx速度提高至少10倍。在不远的将来，专用硬件可能会拥有更高的计算能力。最终，我们期望看到在一分钟内完成区块的最终性。

最终性时间（现在）：20分钟

最终性时间（未来）：1分钟内

Rollup交易内部的快速确认

在这两种类型的Rollup中，通过存入一定的安全保证金（如果交易没有包含进承诺的区块，保证金会被消减），运营商都可以向用户签发即时交易确认。这为最终性提供了经济保证。

这种方法有局限。它对于可互换代币的转移运转良好，但不适合于NFT和通用合约请求。该NFT可能没有市场价值，或者当这些资产的所有者不想在任何情况下立即“出售”它。通用合约请求不适用是因为如果链上的某些之前交易被还原，不容易准确量化货币价值。简单的例子：为接受稳定币预言机价格广播的最终价格，运营商应该质押多少资金合适？

快速提取资金

快速退出类似于快速内部Rollup确认。运营商可以与流动性提供商合作，以将可互换代币即时提取给用户，而无须等待退出交易在Rollup中成为具有最终性的交易。这要求大量的抵押品，这跟最终性达成的时间成正比。假设对Optimistic Rollup来说，不久将来的现实的最终性时间为1周，而ZK Rollup为5分钟，那么，Optimistic Rollup将需要2000倍于ZK Rollup的抵押品才能支持每周相同的提款量。

隐私

• Optimistic Rollup

Optimistic Rollup可以支持Layer 2以太坊 （混合器等）上的任何可用的隐私解决方案。既然Optimistic Rollup本身也是Layer 2，在其上实现的任何隐私解决方案将作为Layer 3。这可能导致隐私服务更加分散，并导致较小的匿名集，这使得隐私的实用性非常低（我们甚至可以在zcash上观察到，默认情况下交易不会隐藏）

• ZK Rollup

为了获得真正的隐私，系统必须默认支持它。从技术的角度看，ZK Rollup可以在某种情况下默认轻松支持在协议层面代币转移的隐私交易，也可以区分公共和私人智能合约。

同时，构建完全匿名的zcash风格交易（即不仅隐藏金额，也隐藏交易的参与者），它将要求改变ZK Rollup的存储模型，从基于账户模型变为基于UTXO模型，这会产生很多问题，且不太可能发生。

Optimistic Rollup目前处于PoC阶段。我们希望很快会实现产品级实施。如果证明它移植现有代码相对容易，那么，项目将逐渐开始采用它并构建新的基础架构：Layer 2支持将在钱包中出现，预言机将开始广播到Optimistic Rollup等。

ZK Rollup在特定应用方面已经更加成熟（例如ERC20代币的转移），但会逐步向完全通用的智能合约方向发展。最终，移植任何基于EVM和WASM的智能合约到ZK Rollup也是可能的，在当前的技术发展速度下，这可能耗费数年时间即可完成。

对于这两种类型的Rollup，类似的基础设施改变会发生在钱包、预言机以及其他智能合约组件中。这要求大量的工作，随着更多项目对Layer 2 扩展技术感兴趣，这些工作会加速。既然Optimistic Rollup承诺比ZK Rollup更早实现通用化的基于EVM的智能合约，它将极大地推动社区采用Layer 2的动机。

对于用户和dApp，从一个Rollup跳到另外一个Rollup，将会比从ETH最初迁移到Layer 2更容易。桥接会让这一过程更加顺畅。由于这种切换的简易，这种解决方案在UX方面会取得显著优势，从长远看，很可能会成为唯一的赢家。

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