GAS:简析Layer2系统的安全性和效率取舍_KSW

前言：

感谢MatterLabs提出关于部分L1数据链上可用性的问题，我们一直以来都非常重视社区的声音，并会根据社区的需求修改方案。因此，我们想借着这次机会向大家分享ZKSwap开发团队辛勤工作所交付的产品背后的一些思考。

经过非常谨慎细致的思考之后，为了TPS和Gasfee的效率，我们决定将ZKSwap的L2转账放在链下。在ZKSwap的设计中，L1相关的数据在链上，L2相关的数据，比如转账和交易，存在链下。尽管存在链下，这部分数据也会被验证者实时公布。

例如，L2区块7831：https://api.zkswap.info/block/7831/pub-data

三种转账类型

ZK-Rollup协议中，一个区块可以包括三种类型的转账：

Beosin：UVT项目被黑客攻击事件简析，被盗资金已全部转入Tornado Cash:金色财经报道，据Beosin EagleEye 安全预警与监控平台检测显示，UVT项目被黑客攻击，涉及金额为150万美元。攻击交易为0x54121ed538f27ffee2dbb232f9d9be33e39fdaf34adf993e5e019c00f6afd499

经Beosin安全团队分析，发现攻击者首先利用开发者部署的另一个合约的具有Controller权限的0xc81daf6e方法，该方法会调用被攻击合约的0x7e39d2f8方法，因为合约具有Controller权限，所以通过验证直接转走了被攻击合约的所有UVT代币，Beosin安全团队通过Beosin Trace进行追踪，发现被盗资金已全部转入Tornado Cash。[2022/10/27 11:48:46]

类型1：来自L1的存款和创建AMM交易对的转账；

安全团队：获利约900万美元，Moola协议遭受黑客攻击事件简析:10月19日消息，据Beosin EagleEye Web3安全预警与监控平台监测显示，Celo上的Moola协议遭受攻击，黑客获利约900万美元。Beosin安全团队第一时间对事件进行了分析，结果如下：

第一步：攻击者进行了多笔交易，用CELO买入MOO,攻击者起始资金（182000枚CELO）.

第二步：攻击者使用MOO作为抵押品借出CELO。根据抵押借贷的常见逻辑，攻击者抵押了价值a的MOO，可借出价值b的CELO。

第三步：攻击者用贷出的CELO购买MOO，从而继续提高MOO的价格。每次交换之后，Moo对应CELO的价格变高。

第四步：由于抵押借贷合约在借出时会使用交易对中的实时价格进行判断，导致用户之前的借贷数量，并未达到价值b，所以用户可以继续借出CELO。通过不断重复这个过程，攻击者把MOO的价格从0.02 CELO提高到0.73 CELO。

第五步：攻击者进行了累计4次抵押MOO，10次swap（CELO换MOO），28次借贷，达到获利过程。

本次遭受攻击的抵押借贷实现合约并未开源，根据攻击特征可以猜测攻击属于价格操纵攻击。截止发文时，通过Beosin Trace追踪发现攻击者将约93.1%的所得资金 返还给了Moola Market项目方，将50万CELO 捐给了impact market。自己留下了总计65万个CELO作为赏金。[2022/10/19 17:32:31]

类型2：L2发起且只能被L1验证的转账。比如，公钥转账将需要L1签名来确保L1账户的密钥所有者能将他们的账户与L2账户关联起来，因为电路不能检查确认L1的签名；

慢雾：跨链互操作协议Nomad桥攻击事件简析:金色财经消息，据慢雾区消息，跨链互操作协议Nomad桥遭受黑客攻击，导致资金被非预期的取出。慢雾安全团队分析如下：

1. 在Nomad的Replica合约中，用户可以通过send函数发起跨链交易，并在目标链上通过process函数进行执行。在进行process操作时会通过acceptableRoot检查用户提交的消息必须属于是可接受的根，其会在prove中被设置。因此用户必须提交有效的消息才可进行操作。

2. 项目方在进行Replica合约部署初始化时，先将可信根设置为0，随后又通过update函数对可信根设置为正常非0数据。Replica合约中会通过confirmAt映射保存可信根开始生效的时间以便在acceptableRoot中检查消息根是否有效。但在update新根时却并未将旧的根的confirmAt设置为0，这将导致虽然合约中可信根改变了但旧的根仍然在生效状态。

3. 因此攻击者可以直接构造任意消息，由于未经过prove因此此消息映射返回的根是0，而项目方由于在初始化时将0设置为可信根且其并未随着可信根的修改而失效，导致了攻击者任意构造的消息可以正常执行，从而窃取Nomad桥的资产。

综上，本次攻击是由于Nomad桥Replica合约在初始化时可信根被设置为0x0，且在进行可信根修改时并未将旧根失效，导致了攻击可以构造任意消息对桥进行资金窃取。[2022/8/2 2:52:59]

类型3：由L2签名验证而无法被L1验证的转账。

慢雾：Harmony Horizon bridge遭攻击简析:据慢雾安全团队消息，Harmony Horizon bridge 遭到黑客攻击。经慢雾 MistTrack 分析，攻击者（0x0d0...D00）获利超 1 亿美元，包括 11 种 ERC20 代币、13,100 ETH、5,000 BNB 以及 640,000 BUSD，在以太坊链攻击者将大部分代币转移到两个新钱包地址，并将代币兑换为 ETH，接着将 ETH 均转回初始地址（0x0d0...D00），目前地址（0x0d0...D00）约 85,837 ETH 暂无转移，同时，攻击者在 BNB 链暂无资金转移操作。慢雾 MistTrack 将持续监控被盗资金的转移。[2022/6/24 1:28:30]

ZKSwap安全模型

一个区块内记录的L2转账在L1上只有部分记录。只有区块信息的总结会被记录在L1链上，例如区块哈希、新默克尔根、区块高度等等。

当一个区块的转账被提交到L1上，区块就被创建出来，区块哈希会被验证。由于以太坊内建了sha256算法，所以区块哈希通常也使用sha256进行计算。

为了保持数据可用性，所有的转账数据都应该被提交到L1上，这被称为“公开数据”。一笔转账的公开数据与其在L2上的转账并不完全相同。系统在进入“退出模式”时将使用公开数据，这样任何人都能恢复最近的经过验证的默克尔树。

电路

L2的电路与L1的智能合约能够协同工作，确保ZK-Rollup协议的功能性。L2的电路保证了以下几点：L2转账签名正确、L1/L2转账执行正确、区块信息计算正确、及时有效地更新账户信息——包括默克尔根、账户默克尔树和费用信息等等。

双验证模式

验证模块对与安全性来说十分重要，是ZK-Rollup协议的基础。

公开数据验证——验证第一类和第二类转账的内容和次序。例如，验证存款需要确保存款数额和信息与L1上记录的相同，并且顺序无误。

区块验证——验证一个区块里的转账被正确执行，并且L2的账户默克尔树根被及时恰当地通过零知识证明进行更新。当一个区块被验证之后，更新的默克尔根就取得了最终性。

总结来说，整体的安全假设如下：

·一个区块的所有转账公开数据在链上；

·验证一个区块中第一类和第二类转账被正确执行；

·证明一个区块内的所有转账被正确执行、账户默克尔树被正确更新、一个区块内的所有转账的公开数据能够匹配；

·证明该区块内所有公开数据都被正确计算；

·提交给L1的区块公开数据与零知识证明系统所证明的数据相同。

公开数据不上链时会发生什么？

如果公开数据不在链上，安全假设“提交给L1的区块公开数据与零知识证明系统所证明的数据相同”就不能被验证。这时候，当L2的零知识证明系统阵营所有转账都被正确执行、默克尔树都被正确更新时，只能说明一个区块内的转账有效，而不能证明来自特定区块的其他转账。

大多数第三类转账都是安全的，但是对于提现操作来说，提现的收款人未经验证，不能被零知识证明系统证明。

对于第一类转账来说，所有可能的第一类转账都能被证明，但不能被验证。类如，零知识证明系统能证明一些非L1发起的存款转账。

由于只有验证着能提交公开数据或者区块证明，所以社区必须信任验证者是诚实的。当验证者诚实时，以上所有的风险都不会存在。对ZKSwap来说，所有公开数据都在浏览器中同步公布，任何人都可以验证公开数据和任何链上区块。

将公开数据存在链下不是一个草率的决定。这个选择背后的主要原因是降低Gas费和提高可扩展性。

Gas费用

保持ZK-Rollup协议运行的一个痛点是Gas。为了向L1提交一个区块，需要消耗以下GasLimit）：

一个区块中，最多可以包括120笔交易转账。

如果要在L1提交验证一个区块，需要消耗大约23万GasLimit，calldata费用约占31%。

可扩展性

可扩展性是另一个考虑因素。假设一笔L2转账消耗1850.7Gas，那么ZKSwap将消耗10%的以太坊Gas，整体TPS将在51.5。

这是在只有交易、没有提现的情况，所以正常使用中将消耗更多Gas，TPS会更低。

结论

保护用户资金安全对所有区块链项目来说都很重要，也是ZKSwap的核心价值。当转账的公开数据没有提交上链时，安全性就依赖于零知识证明电路。当验证者诚实时，用户的资产就是安全的。从技术角度来说，如果验证者不诚实，安全性将会是一个问题。这是降低Gas、提高TPS的一个权衡。

考虑到Gas消耗和可扩展性，ZKSwap做了一个艰难的决定，将公开数据不上链，换来对L2用户更高的TPS和更低的Gas消耗。

我们愿意倾听开发者和用户的反馈，让ZKSwap系统更好。我们也可以在任何时间将所有数据上链。事实上，在发布ZKSwap之前，我们已经实现了100%数据可用的版本，所以我们可用随时升级至这个100%ZK-Rollup的版本，提供更高的Gas消耗、更低的TPS，但是更安全。

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