从技术角度分析四层2索引：zkswap/starknet/unipig/looping

近年来，以太坊的高处理费和低TPS使得以太坊二层扩建的争议成为焦点。Zkspeed是zkswap团队推出的Layer2扩展方案，与市场上其他扩展方案相比，在技术上具有领先优势，带来了更好的产品体验。

本文将在市场现有产品的基础上，从技术方案的角度比较目前zkswap解决方案与其他扩展解决方案的异同。在具体描述之前，我们还将简要介绍目前市场上二层扩展技术的基本情况。

Layer2扩展技术概述

到目前为止，layer2市场繁荣，技术创新不断，各种产品层出不穷。对于市场上的所有产品，从技术角度来看，大致可以分为三类：

1状态通道：通过推动链下交易，减轻以太坊的负担。它具有实时访问和高吞吐量的特点。其缺点是建立渠道费时，需要支付渠道锁定资金，并定期监控渠道状态；

2侧链技术：具有独立共识规则的独立区块链与第1层共识不同步，这是其缺点；

3上卷技术：可以看作是一种先进的非托管侧链技术。它将计算放在链下，将事务数据和**世界状态放在链上，保证链上数据的可用性。

与其他两种方案相比，rollup不需要预先锁定代币，也不需要设置自己的一致性规则，而且可以保持与layer1相同的安全级别，方案本身具有通用性。随着layer2技术的不断发展，rollup技术解决方案已经变得多样化。根据事务数据存储的位置和使用的证明方法，汇总技术可分为以下四类：

1ZK rollup：layer1+有效性证明，数据存储在链上，采用零知识证明，保证状态转换的有效性；

2**汇总：layer1+防欺诈，数据存储在链上，状态转换的有效性在挑战期内通过防欺诈验证；

3有效性：Layer2+有效性证明，链下数据存在，采用零知识证明保证状态转换的有效性，成立“数据可用性委员会”保证链下数据的可用性；

4Plaa:layer2+欺诈证明，数据存储在链下，用户提供欺诈证明以验证状态转换的有效性；

在实际的产品设计过程中，基于不同的业务场景，设计师往往需要在效率和安全性之间做出权衡。无论是高效还是**安全，每个产品设计都有自己的重点。因此，上面提到了四种汇总方案。现在市场上大部分产品，按技术分类，应该属于上述四类。更准确地说，它们属于前三类。第四类是第一类，安全考虑较少。

因此，zkswap团队推出的Layer2扩展方案zkspeed也属于上述范畴。然而，作为layer2赛道上的新星，zkspeed方案与其他主流产品推出的layer2方案相比，有哪些技术优势？产品体验的异同点是什么？接下来，我们将选取市场上有代表性的几款产品，从技术方案和实际体验效果上做一些简单的对比分析，看zkspeed扩容方案是否优越，产品体验是否更好。

layer2技术的比较分析

根据我们的市场调研，我们选择了市场上具有代表性和前沿性的三款产品，分别是星光的starknet、Uniswap的unipig和looping of looping。首先，让我们从技术解决方案的角度来看zkspeed与starknet、unipig与looping的区别，如下表所示：

表1。二层扩建方案分析

图片说明：CRS对应zkp算法，需要多次设置；SRS对应zkp算法，只需要设置一次；

从上表可以看出：

-环路：

Layer2扩展方案是在zkrollup方案的基础上设计的，并且支持valium方案，即链上的数据可用性是可选的。该方案采用的零知识证明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信设置。

其优点是：该算法的证明规模是恒定的（如groth16算法）；

缺点是：可信设置不是通用的，需要针对不同的事务类分别设置。因此，为了提高证明率，要求每个块中的事务类是相同的事务类。因此，如果某一类的事务较少，则其链连接的速度将非常慢，因为它必须等待足够的事务来打包块。不过，从loopring发布的3.6版协议可以看出，区块内同类交易的限制已经取消，相信会有更好的交易体验。

-星光大道：

Starkex是starkware团队开发的第2层扩展引擎，支持两种模式：valium和zkrollup。状态更新的有效性由零知识证明来保证，零知识证明采用ZKSTACK算法，

其优点是：与普通的zksnark算法不同，zkstark算法不需要第三方的可信设置，其算法本身也不依赖于数学问题的假设，因此具有一定的量子电阻；

缺点是：证明的规模比其他zkp算法要大得多，生成证明需要消耗大量的计算资源和存储空间。同时，starkware团队开发的layer2扩展解决方案也值得期待。它是比特币上基于stark的去中心化无许可l2zk汇总产品，支持基于Cairo语言的通用计算。详情请参考starknet。

-Uniswap公司：

基于**上卷，设计了单猪扩容方案。如上图所示，该方案有一个质疑期，即在质疑期内，用户可以提供欺诈证明来验证执行人的行为是否邪恶。

其优点是：该方案与EVM兼容，事务数据存在于链上，保证了安全性；

其缺点是：由于潜在的欺诈证据，链上交易处理的时间会延迟；挑战成本高导致虚拟挑战模式。

-Zkswap:zkspeed的扩展方案考虑了ZK rollup、valium和**rollup的特性。也就是说，所有与layer1交互的事务数据都可以链接起来（zkrollup），layer2的事务数据可以存储在链下（Valium），事务哈希数据可以链接起来，zkspeed还将提供一个完全链接的版本，实现了更高的安全性，并提供了零知识证明，保证了状态转移的有效性。

Zkswap采用了自己的zkspeed，这与其他三种扩展方案不同

1zkspeed方案采用plonk零知识证明算法，所有事务类共享一组可信设置，因此不需要根据事务类打包块；

2Zkspeed采用GPU实现版本的plonk算法，比普通CPU实现版本快3倍以上。加上**的硬件设备，大大缩短了证明的生成时间，大大提高了系统的吞吐量；

3经过反复研究论证，zkswap团队在zkspeed方案的基础上采用了聚合证明方案，并**将其应用于AMM的DEX领域（聚合证明方案最早由matter Labs提出，并有一些简单的应用），将多个块的证明聚合为一个证明，使链可以一次完成多个块的验证，大大降低了交易的平均成本。

聚合证明的技术原理如下图所示：

图2。聚合方案

在汇总方案中，一个明显的技术特点是事务的批处理，即生成一个区块中所有事务的有效性证明，然后链上的主合同完成该证明的有效性验证。如图2左侧所示，与原来的单事务处理相比，它大大提高了吞吐量并降低了事务成本。然而，zkswap团队发现，受零知识证明算法椭圆曲线参数选择的限制，一个块中可以批量处理的事务数量有限，链上**一次验证计算的成本高达50wgas，导致每笔交易的成本没有预期的低。因此，zkswap技术团队在技术应用创新上不断取得突破，最终聚焦于聚合证明方案。

如上图右侧所示，聚合证明的思想非常简单，可以简单地表示为：以每个块的证明作为输入，以链上的验证过程作为证明电路，从而证明链上的验证过程是正确的。由于证明的形式是双线性对，可以将多个证明线性组合，然后用双线性对完成所有的证明，从而验证了证明的有效性。这样，多个证明的验证过程由多个变为一个，大大降低了验证成本。成本降低的程度取决于块聚合的程度（即一次聚合的块数）。目前zkspeed方案支持链上聚合的事务数，可以根据实际情况进行调整，支持20、10、5个事务。同时，为了探索进一步降低交易成本的可能性，zkswap团队追求持续改进，持续聚合和提交链上的数据，即一次提交多个区块，节省了一些固定成本，进一步降低了交易成本。**，一笔交易的成本消耗低至1400煤气，远低于业内其他产品。

期望

不幸的是，当前的zkswap解决方案与EVM不兼容。zkswap团队的愿景是构建一个支持通用EVM的汇总扩展解决方案，以便其他应用程序可以快速迁移，而无需重写智能合约。目前，zkswap团队已投入研究，并取得了一定进展。此外，starkware和matter labs分别开发了starknet和Zn的第2层扩展解决方案，需要使用相应的新设计的DSL语言编写证明逻辑。虽然这个解决方案并不完美，但也是一个阶段性的研发成果。今后，zkswap团队愿意与其他团队合作，扩大以太坊第2层的产能。