加密終局｜探索 Layer 2：深入研究 zkEVM 及 zkSync

The Crypto Endgame

2023/7/18

(本文由作者加密終局 The Crypto Endgame 撰寫)

GM anon!

你可能已經聽了很多關於 L2 和 zkEVM 的討論。但它們到底是什麼，你為什麼應該關注？

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讓我們一起探索 L2 和 zkEVM 的加密終局。

TL;DR

以太坊致力於發展以 Rollup 為中心的路線圖，以 L2 解決其可擴展性問題。
Danksharding 將完全解放 L2 的潛力，帶來許多機會。
儘管技術複雜性較高，但 ZK Rollup 在多方面比 Optimistic Rollup 更好。
zkSync Era 是 zkEVM 的先驅之一，已經推出了它的主網。主要的技術亮點包括原生帳戶抽象（native account abstraction）、強大的 LLVM 編譯器、優越的數據壓縮，以及對數據可用性（zkPorter）和可擴展性（ZK Stack）的獨特解決方案。
自主網發佈以來，zkSync Era 已經看到了強勁的生態系增長：300+ 正在開發的 dapps， 5.6 億美元的 TVL，和來自 126 萬個獨特的存款地址。
zkSync Era 擁有強大的生態系資源，自成立以來已募集了 4.58 億美元的資本，並得到許多行業領導者的支持。

為什麼需要了解 Layer 2？

我們都知道以太坊存在可擴展性的問題—在使用高峰期，它會出現堵塞。最近的一個例子是 2022 年 5 月 1 日 BAYC 的 Otherside 土地銷售，當天 gas 價格被大幅推高，達到了驚人的 78,999 Gwei（熊市通常看到的 gas 價格為 20-30 Gwei），很多人支付了超過 3 個 ETH 才能鑄造他們的土地。

問題的核心在於以太坊有限的區塊空間（block space），這些區塊空間以「gas」為單位來衡量。需要更多計算能力才能執行的交易需要更多的 gas，而 gas 通過以太坊網絡設定的動態費率及基礎費用轉化為 ETH。

目前，每個以太坊區塊最大為 3000 萬 gas。雖然這個最大限制確保區塊可以更快的被打包並廣播，但也限制了交易的數量和複雜性。

以太坊曾試圖用分片（我們稱之為分片 1.0）來解決其可擴展性問題，將以太坊轉變為 64 個並行處理的分片，就像 64 條鏈同時執行區塊一樣。

但是，這種設計引入了不必要的複雜性—每個分片都有獨立的提議者 (proposer) 和委員會 (committee)，導致了較差的用戶體驗和潛在的攻擊點。

由於 Layer 2 解決方案的興起，以太坊轉向了以 rollup 為中心的路線圖以改善可擴展性。此外，以太坊研究員 Dankrad 提出了一種新的分片設計，被稱之為 Danksharding，它將進一步解放 Layer 2 rollup 的潛力。

以太坊放棄原來的 64 個分片設計，現在將交易卸載到 Layer 2，讓 Layer 1 主鏈專注於確保 L2 的數據可用性（data availability），從而解決了有限的區塊空間問題。

這就是為什麼最近 L2 一直備受關注—它對於以太坊的可擴展性解決方案至關重要，並同時保持了去中心化和安全性。

隨著以太坊全面實施 danksharding，它將解放 L2 的全部潛力，並為行業提供許多機會。

L2 產業概覽

L2 解決方案，本質上是增強以太坊可擴展性的解決方案，可以大致分為四個類別：

數據上鏈 vs 鏈下數據

雖然 L2 解決方案是以太坊的「第二層」，但它仍然是一個獨立的區塊鏈。如果 L2 上的狀態改變數據並未存儲在 L1 鏈上，數據就無法被驗證，我們則必須「信任」L2 節點有以誠信行事，因此這不是最理想的去中心化機制。

若將數據存儲在鏈上，則 L2 上的狀態可以被驗證，這種解決方案被稱為 rollup，是更佳的去中心化方案，因此近年來引起了社群的關注。

ZK rollups vs Optimistic rollups

為了避免花太多時間探討過於艱澀的技術問題，我們不會深入到 ZK（零知識）背後的 SNARKs & STARKs 技術。

簡單來說，ZK 證明使 Bob 能夠說服 Alice 一個聲明是真實的，而不需要透露除了聲明以外的任何額外信息。

想象一下，Bob 向一位紅綠色盲 Alice 展示他能夠區分紅球和綠球。Alice 可以標記兩個球的顏色，並將兩顆球在背後互換。若 Bob 每次都能正確識別顏色，這證明他確實能夠看出差異。

欺詐證明（Fraud Proofs）則是被用於 optimistic rollup。欺詐證明先假設一個聲明是真的，除非在一定的時間內被挑戰和推翻。

如果我們比較兩個技術，為什麼 ZK rollup 近期開始受到大量的關注？

顯著縮短的資金提現週期。由於欺詐證明有 7 天的挑戰期，Optimistic rollup（例如 Arbitrum、Optimism）提現需要等待 7 天才算完成。相反，ZK rollup 可以迅速處理提款，因為一旦計算出有效證明（validity proof）並提供給 L1，提款就被認為是有效的。
成本效率。Optimistic rollup 需要所有 L2 交易被壓縮並提交到 L1 上以便後續驗證，而 ZK rollup 只需要發佈跟計算 L2 狀態的相關交易，使 ZK rollup 顯著更具成本效益。換句話說，Optimistic rollup 上的更多交易會導致更高的成本，但由於 ZK rollup 的證明生成和批量交易發佈的成本是固定的，因此在實現一定網絡效應後，ZK rollup 的使用上會更便宜。
超級可擴展性（hyper-scalability）。Optimistic rollup 無法超出當前可擴展性的天花板。然而，ZK rollup 可以使用 ZK 證明潛在地提高它們的可擴展性到 L3 甚至 L4。
ZK rollup 和 L1 之間的同步。通過零知識證明，ZK rollup 可達到即時最終性（instant finality），這讓 ZK rollup 和 L1 以太坊執行之間進行同步調用變為可能性。這為許多令人興奮的設計開啟了可能性，比如共享 L1/L2 流動性（例如，dAMM）。

ZK rollups 和 zkEVM

儘管 ZK rollup 擁有巨大的潛力，但其生態系的增長卻受到了該技術的複雜性以及 EVM 兼容性問題的阻礙。因此有了 zkEVM 的開發—一種旨在使 ZK rollup 與 Ethereum 的智能合約兼容的解決方案。

zkEVM 專案

在這些專案中，zkSync 已經啟動了其主網，並實現顯著的成長，標誌著 zkEVM 領域的重大進步。

zkSync 概覽

zkSync 是由 Matter Labs 團隊開發的 ZK rollup 解決方案。

Matter Labs 由 Alex Gluchowski 和 Alex Vlasov 在 2018 年創立，最初啟動的是在 2020 年 12 月的 zkSync Lite（也被稱為 zkSync 1.0）。這是一個為支付設計的簡單 ZK rollup。

在 2021 年，他們向世界介紹了「zkEVM」的概念，並在 2023 年 3 月成功地推出了他們的 zkEVM 主網， zkSync Era∎（也被稱為 zkSync 2.0）。

自從它的誕生以來，zkSync Era 在跨鏈資產和用戶數量方面展示了顯著的增長。

那麼，是什麼使 zkSync Era 獨樹一幟呢？讓我們深入瞭解其技術亮點。

zkSync Era 的技術亮點

原生帳戶抽象（account abstraction）。正如我們在過去的研究報告中中所述，帳戶抽象和智能合約錢包對於區塊鏈走入主流市場至關重要，人們不再需要紀錄複雜的 seed phrase，並實現用任何代幣支付 gas 費用、自動 / 批量交易和費用補貼等功能。雖然 Ethereum 已部分實現了 ERC-4337 以進行帳戶抽象，但 zkSync Era 通過其自己的虛擬機（virtual machine）從一開始就支持了帳戶抽象。
強大的 LLVM 編譯器。zkSync Era 並沒有尋求與 EVM-equivalence，而是優化了其內部虛擬機以提高 ZK 的性能。然而，這並不意味著在開發環境上進行妥協。zkSync Era 已大力投資構建了第一個基於 LLVM 的編譯器，以盡可能簡化開發者的任務。LLVM 編譯器被設計用於 EVM 語言（Solidity、Vyper、Yul），最終將支持其他語言，如 C++ 和 Rust。
優越的數據壓縮。與其他將整個交易歷史發佈在 L2 的 rollup 不同，zkSync Era 只發佈狀態變化，從而減少了對區塊空間的需求，相應地也減少了數據可用性的成本。此外，Optimistic Rollup 在交易激增時將面臨高昂的 gas 費用（因為它們必須將所有交易發佈在 L1 上），zkSync 則沒有這個問題，因為它只需發佈狀態變化而用披露所有交易。

除了以上的關鍵技術亮點外，zkSync 也在數據可用性（通過 zkPorter）和可擴展性（通過 ZK Stack）方面提供了獨特的解決方案，我們稍後會進行介紹。

但首先，讓我們看一下在 zkSync 上交易是如何完成的。

交易週期

在 zkSync Era 中，交易過程包含了幾個關鍵步驟。以下是是簡化的流程概覽：

用戶在 L2 上啟動交易
運營商（operator）處理這些交易，將它們在 L2 上整合成區塊
運營商將幾個 L2 區塊分組成一個批次（batch），並將其發佈在 L1 上
運營商為這些交易計算出一個 ZK 證明，並將此證明提交給 L1 智能合約
一旦驗證了該 ZK 證明，交易就被視為最終確定，狀態更改在 L1 上被執行及接受

這裡要注意的一個關鍵是 L2 交易在 L1 上能很快被確認。一旦 ZK 證明被提交並驗證後，交易就達到了最終狀態。

zkSync Era 的數據可用性解決方案 – zkPorter

如我們前面所述，未來 Ethereum L1 的角色將是確保 L2 的數據可用性。然而，L1 上有限的區塊空間對 L2 的吞吐量構成了瓶頸。

為了應對這個挑戰，Matter Labs 在 2021 年 4 月提出了一個鏈下的數據可用性解決方案，名為 zkPorter。

zkPorter 背後的概念很簡單。Matter Labs 建議創建一個叫做 zkPorter 的獨立鏈，而不是將所有 L2 數據發佈在 L1 上，因為這會在 L1 產生額外的 gas 費用，且受到 L1 的區塊空間限制。

這條鏈將會管理數據，顯著降低交易成本並提高交易吞吐量。另外，zkPorter 上的帳戶可以與 zkSync Era 上的帳戶或合約無縫交互，進一步提升用戶體驗。

但是，如果我們將數據保留在鏈下，我們如何確保數據可用性呢？

Matter Labs 建議使用一個基於證明權益（PoS）系統和 zkSync 代幣（表示如果 Matter Labs 推出 zkPorter 就很有可能會發布治理代幣，這也是為什麼整個社群都在猜測 zkSync 將會空投）來管理這個機制。

zkSync 代幣持有者可以抵押他們的代幣成為守護者 (Guardians)。這些守護者監視 zkPorter 的狀態，簽名區塊以確認 zkPorter 帳戶的數據可用性。任何數據驗證的失敗都會導致守護者被處罰，激勵他們持續保持可靠的數據可用性。

你可能會問 – 這個機制安全嗎？

雖然 zkPorter 的安全性不如 L1 強大 (因為它依賴額外的 PoS 機制以及守護者進行數據可用性確認)，但它仍然提供足夠的安全措施，因為（1）rollup 方面保持了與 L1 相同級別的安全性，和（2）zkPorter 的安全性超過了其他 PoS 系統，因為守護者不能挪用資金 – 他們只能凍結 zkPorter 的狀態，使其對潛在的攻擊者的吸引力降低。

另外，用戶可以選擇將他們的數據完全保留在 L1 鏈上，不參與 zkPorter。

預計 zkPorter 的實施將進一步提升 zkSync Era 的可擴展性。

zkSync 欲一統 zkEVM 江湖的野心 – ZK Stack

2023年6月26日，zkSync 宣佈推出了 ZK Stack，試圖創建最強大的ZK生態系。

ZK Stack 主要提供 2 個核心功能：

Hyperchains。通過其開源的模塊化框架，ZK Stack 讓開發者可以便捷地根據 zkSync Era 的代碼構建自定義的 ZK L2/L3（稱為 Hyperchain）。

Hyperbridges。所有的 Hyperchain 通過 Hyperbridge 互相串聯，創建一個強大的生態系。

我們知道，「橋」這個詞聽起來很可怕且脆弱，但是與其他橋的設計不同，Hyperbridge 由 ZK 證明驅動，以無需信任的方式保證其安全。

怎麼做到的呢？與其依賴中間件進行跨鏈訊息傳遞，我們發起跨鏈交易的源鏈的狀態改變包含在 ZK 證明中，這對於目標鏈來說已經足夠進行無信任驗證。

一個將代幣從 L3 跨鏈到 L2 的簡化示例如下：

在 Hyperchain C（L3）上發起一筆跨鏈交易，代幣因此被銷毀。包含該鏈狀態改變的 ZK 證明被提交給 Hyperchain A（L2）。
L2 也將其狀態改變 ZK 證明提交給 L1。
考慮到 Hyperchain B（L2）可以訪問 L1 的哈希（Hash），它可以驗證 ZK 證明，從而確認在 Hyperchain C上已經銷毀了代幣。因此新的代幣在 Hyperchain B 上被鑄造。
Hyperchain B 將狀態改變的 ZK 證明提交給 L1，供未來參考。

ZK Stack 使開發者可以輕鬆地構建自己的 Hyperchain，聚集強大的生態系，並通過其原生的帳戶抽象化功能提供優秀的用戶體驗，且成本低廉。

複雜的技術細節就說到這裡，我們現在來看看 zkSync 的生態系和資源。

探索 zkSync 的生態系和資源

評估一個 L2 鏈的實力需要瞭解其生態系：

zkSync Era 擁有一個強大的生態系，已經有 300+ 的 dApps 在其上構建。
根據 L2BEAT，截至 2023 年 7 月 16 日，自從 2023 年 3 月 24 日 alpha 版本啟動以來，TVL 已經顯著增長至 5.6 億美元。重要的是，這種增長是由於真實的 ETH 需求，而不僅僅是代幣升值。它是目前在 TVL 方面排名第三的 L2，也是最大的 ZK rollup。

截至 2023 年 7 月 16 日，它已經吸引了總共 126 萬的存款地址。(Dune @tomwanhh)
通過一系列的融資，Matter Labs 已經籌集了總共 4.58 億美元，包括與 BitDAO 合作的 2 億美元生態系基金，以及來自各種投資者的 2.58 億美元資本。這個巨大的資本儲備使 Matter Labs 能夠激勵早期的開發者和使用者。
Matter Labs 得到了包括 Blockchain Capital, Dragonfly, Lightspeed, a16z, 1kx, Crypto.com, Consensys, ByBit, OKEx 以及 AAVE, Paraswap, Lido, Gnosis, Aragon 等許多其他創始人和領導者的支持。

與 Polygon zkEVM 的比較

值得注意的是，Polygon zkEVM 是另一個已經推出主網的 zkEVM。

雖然兩者都是 ZK rollups/zkEVMs 並計劃引入一個獨立的數據可用性鏈，但在技術和生態系方面存在重要的差異值得探討。

技術

1.EVM 兼容性

Vitalik 之前已經定義了 4 個層級的 EVM 兼容性：共識級別兼容（類型1），完全 Bytecode 級別兼容（類型2），部分 Bytecode 級別兼容（類型3），以及語言級別兼容（類型4）。

Polygon zkEVM 採用部分 Bytecode 兼容（類型3），使得大部分的基礎設施可以直接應用到 L2，並確保與大多數以太坊應用完全兼容。

另一方面，zkSync Era 在語言級別兼容（類型4）上運作。它採用了 LLVM 編譯器將 Solidity 代碼轉化為與他們的虛擬機兼容的 zkSync 自定義 bytecode。權衡的是，雖然 zkSync Era 不是以太坊 bytecode 兼容的，但它的 bytecode 被優化為有效生成 ZK 證明，從而導致更短的證明時間，並且要成為 zkSync Era 上的證明者的要求比 Polygon zkEVM 更低。

2.帳戶抽象

通過其獨特的虛擬機，zkSync Era 原生支持帳戶抽象，而 Polygon zkEVM 只能通過以太坊 ERC-4337 升級後才支持。

3.ZK 證明

zkSync Era 使用 SNARK 生成證明，與 Polygon zkEVM 的 STARK 使用形成對比。