ZKSwap提出实用zkrollup协议ZKSpeed，可大幅提高TPS并降低Gas费用

以太坊网络作为区块链国际里最活跃的开发渠道，日常的拥堵，越来越高的手续费，让生态中的使用和用户们都苦不堪言。最近以来，单笔转账的均匀费用更是高达 24.7 美元。这种糟糕的体会假如得不到改进，将对以太坊的发展将会造成不良的影响。

因而，近些年越来越多的区块链研究者和开发人员致力于底层技能研究，想尽各种技能手段，来改进整个网络状态。有针对 Layer-1 的技能计划，例如 ETH 2.0 的分片技能，经过修正或优化区块链的共识网络，来进步网络的出块效率，从而加快区块确认时刻，达到买卖快速上链的意图；也有针对 Layer-2 的技能计划，在保持 Layer-1 功能足够简略且强壮安稳的前提下，把一些原本在 Layer-1 上的一些核算和操作，放在链下去做，然后经过密码学的技能来确保这些链下操作的准确性。

但从长远视点来看，根据 Layer-2 的扩容技能计划将更适合区块链的健康发展

因为区块链的根底架构现已比较清晰，安稳且易于维护，根据此强加杂乱逻辑，就有或许使 Layer-1 变得越来越软弱。所以，区块链的结构发展方向应该是 Layer-1 尽量保持不动，除非有严重变故，比如密码学技能的打破，导致底层使用的密码学原语的修正。其他的杂乱逻辑及立异使用放在 Layer-2 去做，Layer-1 和 Layer-2 相辅相成。

研究者也逐渐发现了这一点，因而，根据 Layer-2 的扩容技能计划层出不穷。然而，理想很丰满，现实很骨感。当理论需求实践的时候，开发人员才发现要想达到预期，有太多的当地需求权衡利弊，关于不同的使用场景，或许也要做出不同的妥协。

迄今为止，Layer-2 扩容计划里，被讨论的最多的有 zkRollup、Optimistic Rollup、Validium 和 Plasma。在此借用 StarkWare 里 Avihu Levy 的一张图来区分它们：

 

（4种以太坊扩容计划比照）

这四个计划的特色如下：

zkRollup：由以太坊的研究员提出，特色是一切核算进程由链下核算，链上存储，参加核算的明文数据经过 calldata 的方法发送到链上合约，下降存储本钱，一起，链下核算的正确性由零常识证明算法确保；由此也能看出，此计划的确能大幅进步 TPS，也能下降单次买卖的费用。

Optimistic Rollup： 从图上能够看出，Optimistic Rollup 和 zkRollup 位于同一行，也就说明它们的共同点是：明文数据经过 calldata 的方法发送到链上合约；不同之处是 Optimistic Rollup 选用交互式过错证明来确保链下核算的准确性，假如被识别出成心作恶，那将会收到赏罚；相比于 zkRollup，Optimistic Rollup 的安全性假设弱一些。

Validium： 此计划由 StarkWare 提出，取得 V 神的认可，得此命名。特色是核算进程在链下完结，由零常识证明算法确保核算的正确性，链上完结验证并存储终究得国际状态；还有一点需求留意得是，为了取得更好的可扩展性，此计划把买卖数据也存储在链下，一起由可信的“数据可用性”委员会供给数据可用性的证明，相比前两个计划，这个计划丢失了必定的数据可用性，可是的确供给了更好的数据可扩展性；因而，在实践的使用场景中，此计划或许会得到更多的喜爱。

Plasma： 由 V 神提出，相比于其他三个计划，这个计划被提出的时刻最早。计划特色比较显著，链下核算，链上存储，买卖数据也存到链下，简略粗暴，用户能够发起过错型证明来证明执行者的作恶行为，由此取得奖赏，赏罚作恶的执行者。

 尽管现在现已有了以上计划，但由于还没有真正在 Layer-2 上跑起来的使用，所以孰优孰劣也很难下定论。现在在以太坊上最活跃的使用概念是 Defi，其中又以 DEX 占用的网络资源最多，Layer-2 的提出将显着给 DEX 发展带来更大空间。下面能够从一个具体案例来看Layer-2 的落地。

 现在市场上很热的 ZKSwap 算是探索者之一，ZKSwap 提出的 Layer-2 扩容计划叫 ZKSpeed (A Pratical and Scalable Zk-rollup Solution 一个有用而且可拓宽的zk-rollup 协议)。

下面经过一张图来展示 ZKSwap 规划的计划和上述计划的联系：

从图上能够看到，ZKSwap 的第一版扩容计划 ZKSpeed 根底架构结合了ZK-rollup和 Validium 和 Plasma 计划特色，在此根底上又经过聚合证明、GPU 优化、证明电路优化三个计划，大幅进步了整个网络的吞吐能力。

在做详细介绍之前，需求说明一下为何选用了买卖数据链下存储的计划。事实上，ZKSwap 的初衷是完全依照 zkRollup 的计划来完成，因而它不仅能提下降买卖本钱，一起也确保了链上数据可用性，有了这个，用户随时能够供给默克尔树的有效性证明，从链上提取属于自己的钱。惋惜的是，经过实在的测验，在这种计划下，上链的本钱依然很昂贵，每一笔layer2买卖的Gas Limit 为 6000 左右, 作为比照Layer1 上面以太坊的Gas Limit 为21000,普通ERC20的转账买卖的Gas Limit 为50000 左右。这离 Layer-2 的扩容方针高吞吐，低 Gas 相差甚远；具有很快的上链速度，可是买卖本钱很高，信任也会下降用户自动做买卖的意愿；因而，假如Layer2 的均匀每一笔买卖本钱太高，Layer2 主打的高TPS也很难完成。因而，要想把 Layer-2 的扩容计划用于实在场景，首先需求Layer2 资金的绝对安全性; 第二需求Layer2 的TPS 够快 （ZKSwap Layer2的TPS 在100以上，并能够持续进步）第三 需求Layer2的每一笔买卖的Gas 本钱只有主网买卖本钱的5%， 或者2% 。

ZKSpeed 计划中，对链下数据处理分为2部分，一切和Layer1 买卖相关的数据都会实时上链，确保资金的觉得安全性，并实时生成零常识证明和验证证明，可是关于只是和Layer2相关的买卖选用分布式存储的计划，实时披露原始买卖数据，并把数据摘要实时上链，现在数据摘要由Layer2 运营方自己发布，而且任何人能够实时验证该摘要的准确性，长时间来看，数据摘要的核算和发布能够经过分布式的方法进行，并引进社区验证。ZKSpeed 计划对链下数据进行了分类，大幅度进步了数据的可拓宽性，关于数据可用性这个方面，ZKSpeed 计划的可拓宽性长时间来看优于一切买卖都上链的 Optimistic Rollup 计划，长时间来看，受制于以太坊的layer1 的每个Block Gas Limit 的束缚，假如一切数据都上链存储，那么在Layer2体系的可拓宽性方面存在显着的天花板，考虑到巨大的上链Gas 本钱，这样的Layer2体系在实践使用中，其TPS 很难到20以上，其有用性会大大下降。

ZKSpeed 扩容协议经过对链下数据进行分类，完成了数据可用性和数据可拓宽性的权衡。数据可用性的问题得到解决，那么下一步的方针便是进步零常识证明体系的可用性和处理速度。ZKSpeed 计划根据零常识证明算法，确保一个区块内的一切买卖导致的国际状态的改变是正确的，多笔买卖一次性处理，完成体系功能的第一次进步，带来了较高的TPS。可是，这种解决计划带来的进步效果只能说是牵强能够承受，ZKSwap 团队不满于此，坚持寻觅新的技能计划来完成更高的体系容量和更低的买卖本钱；经过不屑努力，终于找到了一个新的解决计划，即聚合证明 (Aggregative Proof)。

 Aggregative Proof 聚合证明

 聚合证明的逻辑其实很简略。大家知道，根底的 Layer-2 扩容计划里，一个区块对应一个有效性的证明，链上合约验证证明的有效性。现在以太坊的出块均匀速度是 15s 一个区块，假如链上一次能验证多个区块的有效性，那么平摊在每个买卖上的本钱将大幅削减。根据这个思考，ZKSwap 选用了一种聚合证明计划。所谓的聚合证明计划便是，现在是一个区块一个证明，把一段时刻内，或者是固定数量的区块产生的多个证明，再用零常识证明的方法去证明这些区块的证明是有效的（把验证的进程再当作是一种电路）。这样链上只需求一次验证，就能够完成多个区块证明的有效性验证。

 经过实践测验，ZKSwap 在选用了聚合证明计划后，单笔买卖的费用下降到了 1000 （Gas Limit），该本钱是以太坊主网ERC20 转账本钱的1/50 (以太坊主网转账的Gas Limit 大概是50000 左右)，这个成果足够让人惊喜。试想一下，假如能在主网的出块时刻距离内，能生成更多的零常识证明，那么整个体系的 TPS 将会得到大幅改进，为此，ZKSwap 同样做出了很多的努力，完成了 GPU 版的 PLONK 算法，相比于 CPU 版别的 PLONK 算法，核算速度进步 3 倍有余，一起，ZKSwap 经过大规模高功能机器，专门用于零常识证明的生成，关于规模为 2^28 次幂的超大型电路，生成一个证明不到 2 分钟。但一起，受算法选用的椭圆曲线参数束缚，每个区块里可证明的最多买卖数量和可证明的证明数量存在上限，导致体系的的功能上限收到了束缚。尽管有此束缚，但ZKSwap终究的实测 TPS 依然远超过了现有的其他产品，现在在最新的压力测验中，选用ZKSpeed 计划的 ZKSwap项意图TPS 能够到 100以上。

ZKSpeed 现已把目光放在了不需求可信设置的递归 SNARK 上，相比于聚合证明，递归 SNARK 将不需求可信设置，而且一次性可验证的区块数量将不受束缚，仅取决于出块的速度和生成证明的速度。

 体系实测成果

 以下列举出几个常用的买卖类型对应的费用，详细见表格：

由于 Deposit 和 Withdraw 操作涉及到与 Layer-1 的交互，因而买卖本钱相关于 Layer2 转账和 Swap买卖操作较多。不过，无论是哪一种买卖类型，其每笔买卖的本钱现已领先于行业界的其他产品，根据ZKSpeed 计划的ZKSwap 现已完成了 资金安全性和高TPS 以及 低Gas 本钱的 全面权衡，而且具有很大的有用价值，在Layer2 的实践使用中，具有很大的技能优势。

展望

ZKSpeed Layer2 扩容计划是一个兼具有用和工程优化的 zk-rollup 计划，经过 零常识证明的聚合证明，Plonk 算法的并行处理，以及对链下数据的分类处理，大大进步了Layer2 体系的TPS, 并大幅下降了 Layer2 买卖的Gas 本钱。相比其他的Layer2 计划（zk-Sync , optimistic rollup以及Plasma ），ZKSpeed 计划在有用性方面取得了更大的打破，并将率先支撑DeFi 的使用在Layer2 大规模部署，关于ZKSpeed 的计划细节，敬请重视行将发布的技能白皮书和体系示例（zkspeed.org）

视野开拓

每一轮技术开发既得益于之前他人发明的技术和所创造的市场优势，也将惠及其后的技术开发。-《技术革命与金融资本》