ZK-Rollup：Layer2终极解决方案

在过去几个月，公链拥堵造成的成本上升严重影响了用户体验，引发的关于以太坊2.0、扩容、Layer2的讨论热火朝天。在一众声音中，ZK-Rollup脱颖而出。本文旨在详细描述什么是ZK-Rollup以及ZK-Rollup的优劣势，而对于主链现状、Layer2赛道选择等更大的概念将不再赘述。

相关文章可参考：

《以太坊拥堵现状》?https://www.jinse.com/news/blockchain/1096903.html

《Layer2扩容技术方案比较》https://www.jinse.com/news/blockchain/1098052.html

什么是ZK-Rollup技术？

要了解ZK-Rollup，首先要了解layer2。Layer2是一种在主链上搭建二层网络来运行Dapp，将主链的部分数据处理转移到 Layer2 上，主链仅负责计算结果的验证及储存，以此减轻主网负担的扩容方案。

ZK-Rollup便是实现Layer2的一个技术分支。简单来说，ZK-Rollup可以拆分成两个概念：Rollup + ZK。

Rollup的核心理念其实很简单，就是将发生在Layer2生态中的多笔交易数据，打包成一笔「浓缩」的交易，发布到链上。具体来说，就是在主链上设计一个智能合约，其中包括一个状态根，即rollup 状态的Merkle根（也就是 rollup 内部的账户余额、合约代码等等）；当大量交易被汇总和压缩为一个汇总交易 (batch，其中包含之前的状态根和处理交易之后的新Merkle根)后，合约会检查 batch 中的旧状态根是否匹配其当前的状态根，如果匹配的话，合约会对状态根进行更新，以此达成Layer2上交易数据上链的结果。

为了保持L1和L2 上所有数据和账户状态一致性，防止作恶行为，需要用技术手段保证batches 里的后状态根 (post-state root) 是正确的：ZK-Rollup采用零知识证明来确保这一点。

零知识证明（zero-knowledge proof）：证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的——既能充分证明一个命题是否正确，又不把有关的信息泄露出去。

当交易被打包时，每个 batch 都包含一个称作 ZK-SNARK （zero knowledge succinct non-interactive argument of knowledge，一种零知识证明技术 ）的密码学证明，确保状态根是正确执行 batch 的结果。SNARK证明这一系列交易是由拥有者正确签署的，并且从旧的Merkle根到新的Merkle根，账户余额的更新是正确的，因此中继器不可能提交无效的或被操纵的状态。以此，ZK-Rollup能达到以太坊主链层级的安全保障。

此外，由于主链上的智能合约仅仅需要验证这个ZK-SNARK的有效性并加以记录，ZK-Rollup将大大减少对基础链吞吐量的占用，提高速度的同时节约了交易费用。

ZK-Rollup的优越性

对用户体验来说，ZK-Rollup拥有绝对的统治地位，具体表现为极高的安全性和快速、经济的体验。

首先，ZK-Rollup技术拥有绝对的安全性优势。上述提到，每一次状态转换都要先由 Rollup 智能合约验证过才能生效，所以任何人无法操纵交易状态，也不可能提交或伪造无效状态。其次，当前流行的其他Layer2解决方案中，Plasma、Validium都不具备主链上数据可用性；而ZK-Rollup不仅将交易结果返回给主链，同时在主链上存储了足够的数据（如必要的转账信息）来准确判断链下账户的状态，确保Layer2与Layer 1所有数据的一致性。另外，ZK-Rollup依赖于L1的防审查性仅是出于其活泼性，而不是出于其安全性，意味着Layer 1上的审查攻击也不能篡改ZK-Rollup的状态，更加确保了资金和交易的安全性。

在用户体验上，除了做到上述的高吞吐量、低手续费外，在Layer2的一切操作（如流动性挖矿）无需支付gas fee，且打包上链的模式为用户分散了gas fee的支付，为用户节约客观的交易费用。更重要的是，zk技术能实现几分钟内确认区块、打包上链。在当前流行的Optimistic Rollup技术中，基于欺诈证明，在打包上链前要留出2周的挑战期（Dispute Time Delay），意味着资金锁定在二层网络中两周左右；而在zk技术中，这些挑战被ZK-SNARK取代，因为基于有效性证明，zk技术从密码学上确保了交易和状态更改的正确性，用户无需经历挑战期，其交易能在几分钟内被确认并打包上链，能够获得快速、无感的二层网络体验。

基于其极高的安全性、高TPS、低交易费、确认时间短等特点，ZK-Rollup被认为是Layer2长远来看最佳的解决方案。

为什么ZK-Rollup的落地应用少之又少？

当前，虽然zk技术的讨论一直很热，但真正落地且可用性强的项目却不多：zkSync作为首个探索zk技术的项目，在Layer2的完全应用尚未上线；今年2月，路印（Loopring）发布了第一个基于 ZK-Rollup 二层扩容技术的以太坊Dex；ZKSwap近期利用zk技术在单链上实现了Swap功能… 可以发现，当前少数落地的项目中，ZK-Rollup技术只被专注于实现某一个具体的功能点，而缺乏整体、完善的应用。这是因为，ZK-Rollup技术开发难度和代码量都远高于实现成本更低的Optimistic Rollup。开发者需要更长的时间、更强的密码学技术，以及更大的编程量来支持虚拟机的部署，要实现完全兼容 EVM 尚需时日；在这背后，是对团队、资本更高的要求。

但可以明确的是，ZK-Rollup作为最安全、体验最佳，且被以太坊创始人Vitalik最看好的Layer2扩容方案，在不久的将来一定是主流的发展方向；诞生的项目数量虽然少，但能玩转zk技术的团队，我们能相信以他们的实力，一定能创造出更优质的应用，为以太坊的二次增长助燃。

refer：https://www.ethereum.cn/an-incomplete-guide-to-rollups

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编译者/作者：zkLink

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