簡析主要 Layer 2 DEX 優劣勢：StarkNet、Loopring、ZKSwap 與 Unipig

近期以太坊上的高手續費和低 TPS 使以太坊上的 Layer 2 擴容之爭變成了焦點。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。在具體的展开描述之前，也將簡短的介紹下目前市場上的 Layer 2 擴容技術的基本狀況。

Layer 2 擴容技術概述

迄今為止，Layer 2 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 Layer 1 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托管側鏈技術，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 Layer 1 同樣等級的安全性，同時方案本身具有通用性。隨着 Layer 2 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：Layer 1 + 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：Layer 1 + Fraud proofs，數據存儲在鏈上，在挑战期間，用欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；

3. Validium： Layer 2 + 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：Layer 2 + 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，更准確的說，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 Layer 2 擴容方案 Zkspeed 同樣也屬於上述範疇。然而，作為 Layer 2 賽道上的一個新星，Zkspeed 方案與其他主流產品推出的 Layer 2 方案相比會有什么樣的技術優勢呢？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。

Layer 2 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：

表 1. Layer 2 擴容方案分析表。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

根據上述表格可以看出：

Loopring

使用的 Layer 2 擴容方案是基於 ZK Rollup 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，每個區塊裏的交易類型要求為同一交易類型，導致了如果某種類型的交易較少，那它上鏈的速度就會很慢，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 版本裏可以看到，已經取消了了區塊裏是相同類型的交易的限制，相信會有更好的交易體驗。

StarkWare

StarkWare 團隊研發的 Layer 2 擴容引擎 starkEx，支持 Validium 方案和 ZK Rollup 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 Layer 2 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。

Uniswap

使用的 Unipig 擴容方案是基於 Optimistic Rollup 設計的，如前圖所示，改方案存在挑战期，即在挑战期間，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；挑战成本昂貴，導致挑战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 Layer 1 交互的交易數據全部上鏈（ZK Rollup），把單純 Layer 2 的交易數據存放在鏈下 (Validium)，交易 hash 數據上鏈，同時 ZKSpeed 也會提供一個完全上鏈的版本，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 團隊經過反復研究論證，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：

圖 2. Aggregation 方案

在 Rollup 方案裏，一個很明顯的技術特點就是交易的批量處理，即對區塊裏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线參數的選取，一個區塊內能批量處理的交易數量是有限的，再加上鏈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线性配對，因此，多個 proof 可以進行线性組合，然後利用一次雙线性配對完成所有 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 方案支持聚合上鏈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，繼續對上鏈數據進行聚合提交，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 團隊的愿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 分別开發了 starkNet 和 zinc 的 Layer 2 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 團隊愿和其他團隊一起，共同致力於以太坊的 Layer 2 擴容建設。

撰文：江小白

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