原標題：《技術視角剖析4個Layer2 DEX : ZKSwap/StarkNet/Unipig/Loopring》
作者：ZKSwap 江小白
近期以太坊上的高手續費和低TPS使以太坊上的Layer2擴容之爭變成了焦點。 ZKSwap團隊推出的Layer2擴容方案Zkspeed相比於市場上其他擴容方案有著技術上的領先優勢，由此帶來產品上更為良好的體驗。
本篇文章將以市場上既有的產品為基礎，從技術方案角度出發，比較當下ZKSwap方案和其他擴容方案的異同之處。在具體的展開描述之前，也將簡短的介紹下目前市場上的Layer2擴容技術的基本狀況。
Layer2 擴容技術概述
迄今為止， Layer2市場上已經是一片繁榮，技術上不斷創新，各種產品也層出不窮。對於市場上的所有的產品，從技術角度上劃分，可以大體分為三類：
1.狀態通道：通過促進鏈下交易來減輕以太坊的負擔，具有即時存取、高吞吐的特點，其弊端是設置通道浪費耗時，並且需要在通道中支付鎖定資金，同時定時監測通道狀態；
2.側鏈技術：具有獨立共識規則的獨立區塊鏈，與Layer1的共識不同步，這是它的弊端；
3. rollup技術：可以看作是一個高級的非託管側鏈技術，它將計算放在鏈下，交易數據以及最新世界狀態放在鏈上，保證了鏈上數據可用性。
與其他的兩種方案相比， rollup無需提前鎖定代幣，也不用設置自己的共識規則；而且它還可以保持和Layer1同樣等級的安全性，同時方案本身俱有通用性。隨著Layer2技術的持續發展， rollup技術方案也變得多樣化，根據交易數據存儲的位置和使用的證明方法的不同，又可以將rollup技術細分為以下四類：
1. ZK-Rollup ： Layer1 + Validity proofs ，數據存儲在鏈上，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性；
2. Optimistic rollup ： Layer1 + Fraud proofs ，數據存儲在鏈上，在挑戰期間，用欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；
3. Validium ： Layer2 + Validity proofs ，數據存在鏈下，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性，並設立“數據可用性委員會”來保證鏈下數據的可用性；
4. Plasma ： Layer2 + Fraud proofs ，數據存儲在鏈下，用戶提供欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；
在實際的產品設計過程中，基於不同的業務場景，設計者往往需要在效率和安全性上做出權衡，要效率還是要絕對安全，每個產品設計時都有自己的側重面。因此，也就有了上述的四種rollup方案。現在市面上的大部分產品，按技術分類的話，應該大都屬於上述四類，更準確的說，是屬於前三類，第四類方案提出的最早，安全性考慮的較少。
所以， ZKSwap團隊推出的Layer2擴容方案Zkspeed同樣也屬於上述範疇。然而，作為Layer2賽道上的一個新星， Zkspeed方案與其他主流產品推出的Layer2方案相比會有什麼樣的技術優勢呢？產品體驗又有何異同呢？接下來，我們將選取市場上具有代表性的幾個產品，從技術方案和實際體驗效果上做一些簡單的對比分析，來看看Zkspeed擴容方案是否優勝同時產品體驗是否更好。
Layer2 技術對比分析
根據我們的市場調研，我們選取了三個市場上具有代表性和前沿性的的產品，分別是StarkWare的starkNet 、 Uniswap的unipig 、 Loopring的loopring 。首先，我們先從技術方案的角度，來看一下Zkspeed和starkNet 、 Unipig 、 Loopring的區別，具體的如下表所示：
圖片說明： crs對應需要多次可信設置的zkp算法； srs對應只需要一次可信設置的zkp算法表1. Layer2擴容方案分析表
- Loopring ：
使用的Layer2擴容方案是基於zkRollup方案設計的，同時也支持Validium方案，即鏈上數據可用性是可以選擇的。該方案使用的零知識證明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信設置。
優點是：這種算法的proof大小是常量大小的（比如Groth16算法）；
缺點是：可信設置是不通用的，針對不同的交易類型，都需要單獨進行可信設置。因此，為了提高證明傲率，每個區塊裡的交易類型要求為同一交易類型，導致瞭如果某種類型的交易較少，那它上鍊的速度就會很慢，因為要等待足夠的交易才打包區塊。不過，在Loopring發布的協議3.6版本里可以看到，已經取消了了區塊裡是相同類型的交易的限制，相信會有更好的交易體驗。
StarkWare團隊研發的Layer2擴容引擎starkEx ，支持Validium方案和zkRollup方案兩種模式可選。狀態更新的有效性由零知識證明來保證，其用到的零知識證明算法是zkstark算法，
優點是：與常用的zksnark算法不同， zkstark算法不需要第三方的可信設置，而且其算法本身不依賴數學難題假設，具有一定的抗量子性；
缺點是： proof的大小比其他的zkp算法要大的多，生成證明需要消耗大量的計算資源和存儲空間。同時， StarkWare團隊研發的Layer2擴容解決方案值得期待，一種以太坊上的基於STARK的去中心化無許可L2 ZK-Rollup產品，並且支持基於Cairo語言的通用計算；具體內容可參考鏈接starkNet 。
使用的Unipig擴容方案是基於Optimistic rollup設計的，如前圖所示，改方案存在挑戰期，即在挑戰期間，用戶可以提供欺詐證明來驗證執行者的行為是否作惡。
優點是：該方案兼容EVM ，並且交易數據存在鏈上，保證了安全性；
缺點是：由於存在潛在的欺詐性證明，鏈上事務處理的時機會延緩；挑戰成本昂貴，導致挑戰模式基本上算是形同虛設。
ZKSwap ：推出的Zkspeed擴容方案兼顧了ZK-Rollup 、 Validium和Optimistic rollup方案的特點。即實現所有與Layer1交互的交易數據全部上鍊（ zkRollup ），把單純Layer2的交易數據存放在鏈下(Validium) ，交易hash數據上鍊，同時ZKSpeed也會提供一個完全上鍊的版本，這樣可以實現更高的安全性，並提供零知識證明保證狀態轉換的有效性。
ZKSwap採用自己研發的Zkspeed與其他三個擴容方案的差異：
1. Zkspeed方案採用PLONK零知識證明算法，所有交易類型共用一套可信設置，如此就無需按照交易類型進行區塊打包；
2. Zkspeed方案採用了GPU實現版的PLONK算法，相比於普通的CPU實現版本運行速度上提升了3倍以上，再加上頂尖的硬件設備，使得證明的生成時間大大縮短，大幅提高了系統的吞吐量；
3. ZKSwap團隊經過反复研究論證，在Zkspeed方案上探索性的採用了聚合證明（ Aggregation proof ）方案，並首先應用到AMM的DEX領域（聚合證明方案最早由Matter Labs提出，並有一些簡單的應用），把多個區塊的證明聚合成一個證明，使得鏈上一次就可以完成多個區塊的驗證，大大的降低了交易的平均成本。
聚合證明（ Aggregation proof ）的技術原理如下圖所示：
在rollup方案裡，一個很明顯的技術特點就是交易的批量處理，即對區塊裡的所有交易的有效性產生一個證明，然後鏈上主合約完成證明的有效性驗證。如圖2左側所示，這和原始的單個交易處理力度相比，已經有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而， ZKSwap團隊發現，受限於零知識證明算法橢圓曲線參數的選取，一個區塊內能批量處理的交易數量是有限的，再加上鍊上一次驗證計算的成本高達50WGas ，導致每筆交易的成本並沒有低到預期。因此， ZKSwap技術團隊持續進行技術應用創新的突破，並最終關注到了聚合證明（ Aggregation proof ）方案。
如上圖右側所示，聚合證明的思想很簡單，可簡單表述為：把每個區塊的proof當作輸入，把鏈上驗證的過程當作證明電路，證明鏈上的驗證過程是正確的，由於驗證的形式就是一個雙線性配對，因此，多個proof可以進行線性組合，然後利用一次雙線性配對完成所有proof的有效性驗證。這樣一來，多個證明的驗證過程由多次變成1次，驗證成本大幅降低，成本降低的幅度取決於區塊聚合度（即一次聚合的區塊數），目前Zkspeed方案支持聚合上鍊的交易筆數可根據實際情況進行調配， 20 、 10 、 5筆均支持。同時，為了探索進一步降低交易成本的可能性， ZKSwap團隊追求精益求精，繼續對上鍊數據進行聚合提交，即，多個區塊一次提交，節省了一些固定成本，進一步壓縮交易成本，最終實現一筆交易的成本消耗最低至1400 Gas ，遠低於行業其他產品。
展望
遺憾的是，目前ZKSwap的方案還不兼容EVM ， ZKSwap團隊的願景是構建一個支持通用EVM的rollup擴容解決方案，使得其他應用無需重新編寫智能合約就能實現快速遷移，目前ZKSwap團隊已經投入研究，並取得了一些進展。除此之外， starkWare和Matter Labs分別開發了starkNet和zinc的Layer2擴容解決方案，需要用對應新設計的DSL語言來編寫證明邏輯，雖然此方案不算完美，但也算是一個階段性的研發成果。未來ZKSwap團隊願和其他團隊一起，共同致力於以太坊的Layer2擴容建設。
