以太坊:一文读懂ZK-Rollups如何解决以太坊的可扩展性问题_ARK

关键要点：以太坊的高gas费用凸显了对扩展解决方案的迫切需求。虽然今天的扩展解决方案取得了成功，但它们存在可组合性和去中心化的问题。ZK-Rollups通过提供增强的互操作性和安全性来改进现有的第2层网络。随着使用以太坊的成本增加，扩展网络的需求变得比以往任何时候都更加明显。零知识汇总技术有望在不影响去中心化和安全性的情况下降低gas费用。以太坊的可扩展性问题

高昂的gas费用已成为以太坊的一个主要问题。由于交易费用以ETH支付，因此当资产价格上涨时，使用网络的成本就会上升。ETH今年上涨了460%，这意味着以美元计算的交易成本也上涨了460%。交易费用还取决于网络拥塞的程度。由于当今对以太坊区块空间的需求巨大，因此gas费用也很高。使用网络的高昂成本使许多用户无法参与DeFi、NFT，甚至参与DAO。由于以太坊的费用，许多加密爱好者已经迁移到其他第1层区块链，例如Solana和Avalanche。

以太坊：中间交易Gas价格在过去的几年里，已经开发了几种扩展解决方案来帮助缓解以太坊的拥堵并降低交易成本。Polygon于2019年推出，可以说是第一个获得显着牵引力的以太坊扩展解决方案。该网络使用称为Plasma的扩展解决方案，它将交易从主以太坊区块链卸载到专用侧链。Curve和Aave等许多以太坊原生DeFi应用程序今年已在Polygon上推出。虽然Polygon通过提供低费用成功吸引了用户，但它经常被批评为不是真正的扩展解决方案。Polygon使用由其自己的一组节点验证器管理的Proof-of-Stake共识机制。这意味着它不使用以太坊主网来验证交易，因此通常被认为不那么安全和去中心化。只有100个验证器管理Polygon。根据Polygonscan的数据，顶级验证器地址占网络的27%以上。

按块排名前25位的多边形验证器在过去的一年中，另一种称为汇总的扩展解决方案在以太坊社区引起了轰动。目前，以太坊上的每笔交易都包含与智能合约交互时所需的所有计算数据。由于区块空间有限，以太坊很容易变得拥挤，导致交易确认缓慢和高昂的gas费用。Rollups提供了一种外包计算数据并将有效性证明发送回以太坊主网的方法。这节省了块空间并允许将交易捆绑在一起，进一步减少提交到主网的数据量。当交易捆绑在一起时，gas费用会在许多用户之间分摊。Rollups为用户提供接近即时的交易速度，并且可以将费用降低50到200倍，同时保持以太坊主网的安全性和去中心化。什么是零知识汇总？

Rollup有两种形式：乐观(OptimisticRollup)和零知识(ZK-Rollups)。乐观汇总假设发送回基础链的交易是合法的。只有当有人通过提交欺诈证明来证明他们是欺诈行为时，交易才会被拒绝。换句话说，OptimisticRollups采用“无罪直到被证明有罪”的方法来验证交易。相反，零知识汇总，也称为ZK-Rollups，生成加密证明，证明交易在发送回主网时是合法的。只有在验证密码证明后，以太坊才接受交易。与OptimisticRollups不同，ZK-Rollups采用“有罪直到证明无罪”的方法进行验证。目前，OptimisticRollup的采用率最高，部分原因是在其上开发应用程序很容易。OptimisticRollups可以直接在功能上支持完整的智能合约，开发人员可以使用以太坊的原生编程语言Solidity编写应用程序。L2beat的数据显示，当今最大的OptimisticRollupArbitrum已经吸引了超过25亿美元的总价值锁定在DeFi应用程序中。它在以太坊上托管了许多最流行的DeFi应用程序。然而，OptimisticRollups面临一些挑战。由于他们验证交易的方法，发送回以太坊主网的资金会受到长达一周的争议期。这给用户带来了不便并破坏了可组合性。虽然OptimisticRollup比基于Plasma的解决方案有所改进，但它们通常被认为不如ZK-Rollups。OptimisticRollup有一个争议期，可扩展性改进高达77倍。ZK-Rollups没有争议期，它们提供高达500倍的改进。然而，ZK-Rollups尚未达到与Optimistic对应物相同的兼容性水平。因为ZK-Rollups每笔交易都有有效性证明，所以他们的技术更难构建。ZK-Rollups已被开发用于处理简单的任务，如直接转账和交易。虽然集成智能合约功能是可能的，但事实证明要困难得多。就在今年，以太坊联合创始人VitalikButerin预测完全可组合的ZK-Rollups的开发需要几年时间。然而，开发商提前了。一些ZK-Rollup正准备部署可相互组合和互操作的解决方案，甚至跨汇总。ZK-Rollups的开发将允许以太坊主网和多个第2层网络之间的共享通信框架，网络可以共享流动性并克服第1层区块链面临的最大采用挑战。基于ZK-Rollup的网络不需要为了通过去中心化交易所提供高效交易而竞争流动性，而是能够合作扩展以太坊。ZK-Rollups还有另一个独特的功能。由于每批交易的费用计算方式，随着越来越多的人使用它们，交易变得更便宜。发送一批的成本不会有太大的变化，因此随着更多的交易捆绑在一批中，gas成本可以分摊给更多的用户。ZK-Rollups可以捆绑几乎无限数量的交易，因此如果有足够的用户，交易的gas费用可以减少到几美分。此功能称为有效性证明摊销。虽然以太坊仍然面临可扩展性问题，但一些开发人员已经在部署第2层ZK-Rollup网络，承诺智能合约、其他第2层解决方案和以太坊虚拟机之间的完全可组合性和兼容性。ZK-Rollup的类型

目前在以太坊扩展解决方案中使用了两种不同类型的ZK-Rollup。第一种也是最广泛使用的ZK-Rollup类型使用ZK-SNARKs——简洁的非交互式知识论证。SNARKs是第一种被发现的零知识证明；早期的区块链项目Zcash早在2016年就使用了它们。SNARK构成了大多数ZK-Rollup开发人员库和已发布的代码，被视为以太坊扩展项目的强大选择。SNARK的一大缺点是它们需要密钥的初始创建事件，用于创建交易所需的证明。如果可信设置事件中的密钥没有被销毁，它们可用于凭空创建新令牌或伪造交易。目前最著名的基于SNARK的扩展解决方案是MatterLabs的zkSync项目。zkSync于2020年6月推出，承诺在当前迭代中每秒处理2,000笔交易，并希望在未来实现更高的吞吐量。5月，随着zkEVM测试网的推出，该平台开始致力于在EVM兼容环境中部署智能合约。zkSync的主要重点是尽可能轻松地从以太坊主网过渡。那些想要在zkEVM上进行开发的人可以使用以太坊的编程语言Solidity编写智能合约。MatterLabs最近在由AndreessenHorowitz领导的B轮融资中筹集了5000万美元，以帮助zkSync的开发。此外，该公司还与CurveFinance、Aave和1inch等多家以太坊DeFi蓝筹股合作。另一种类型的ZK-Rollup使用STARKs——可扩展的透明知识参数。STARK与SNARK相比具有优势，因为它们完全依赖哈希函数并且不需要可信设置。这意味着STARK理论上比SNARK更安全，这使它们成为以太坊基金会的最爱。StarkWare是第一家使用STARK扩展以太坊的公司，目前是开发基于STARK的技术的主要推动力。StarkWare为基于STARK的ZK-Rollups创建了一种名为Cairo的图灵完备编程语言。它使用开罗创建了它的第一个产品StarkEx协议。StarkEx是一种特定于应用程序的扩展解决方案，目前被多个以太坊项目使用，包括dYdX、ImmutableX、Sorare和DeversiFi。StarkWare即将发布StarkNet，这是一个无需许可的ZK-Rollup网络，可让开发人员直接在第2层上构建和启动应用程序。StarkNet的目标是成为真正的、去中心化的、多应用程序扩展解决方案。

StarkEx是行星，StarkNet是星座ZK-Rollups即将改变加密社区使用以太坊的方式。随着zkSync和StarkNet等高速、低成本网络的实现，以太坊主网上的交易将越来越多地外包给第2层。这将使以太坊更接近其成为可扩展、安全和分散的区块链网络的愿景。

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