深度分析 | ZK Rollup 能否在 Layer2 竞赛中突出重围？
编者按：
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作者：OP Research
Layer2作为以太坊公链的优化方案，一直是大家关注、讨论、研发的热点，例如Axie所在的Ronin、DYDX所用的Starknet、Arbitrum、Optimism、ZKSync等，众多研发团队对Layer2技术方案进行了积极尝试。那到底什么是Layer2呢？以太坊公链本身被称为Layer1、主网或者主区块链层，Layer2则是指将交易从主区块链层移到可以与主链通信的单独一层中以实现更快速的交易与更低的Gas Fee。如下图所示，Layer2类似于在以太坊主网上嫁接了一条“高速公路”，对以太坊主网交易量进行分流，缓解以太坊主区块链层交易拥堵的情况。目前Layer2已出现多个技术方案，包括状态通道、侧链、Plasma、Rollup等。侧链和Rollup是当下大家常听到的方案，但侧链和Rollup的区别在于，侧链需要有自己独立的节点进行验证，其安全性主要依赖于侧链自身（Polygen就是侧链的案例之一）；而Rollup则是直接基于Layer1在链下批量集中处理交易并将更新情况发布到主区块链，同时在链上发布交易数据，其安全性依然依靠Layer1。
图1：Layer0、Layer1和Layer2示意图
虽然Rollup相比于侧链安全性更可靠，但目前对以太坊主网的优化效果依然有限，但不可否认的是，Rollup是真正基于以太坊主网实现的优化，以太坊主网的项目不需要做任何更改就可以进入使用Rollup方案的链，而用户也不需要冒着风险使用跨链桥来转移资产，也即以太坊上任何可能的交易都可以在Rollup中执行。其原理如下图所示，基于Rollup技术方案的链会在以太坊主网上建立一个Rollup合约来监控Rollup链上的状态，其中包括了在链上进行交易的用户的账户余额和其中存在的合约的智能合约代码，这些信息被记录在由一个键值映射组成的“状态根”中，其中键是地址，值是帐户。每个账户最多有 4 个属性：余额、随机数、代码（仅适用于智能合约）和存储（仅适用于智能合约）。由于Rollup只是将交易数据发布到主链而不是执行链上的交易，发布在主链上的交易数据和状态根很可能是欺诈性的，所以为了解决这个关键问题，乐观Rollup （Optimistic Rollup） 和 零知识Rollup （ZK Rollup）方案被提了出来。
图2：Rollup技术原理示意图
不同于Optimistic Rollup 乐观的认为所有被提交的状态根都是可信的，并通过提交欺诈证明来保证安全，ZK Rollup 中ZK-Sync使用ZK-SNARK 的加密证明来发布状态根，并使用零知识证明技术（允许一方向另一方证明某件事而不透露证明它所必需的信息）来验证状态根的真实性，从而避免访问数据本身以保证隐私性。相比于Optimistic Rollup需要一周才能提现，ZK Rollup 只要10 分钟就能提取资产。但ZK-SNARK作为一个新技术，而其数学原理极为复杂，导致目前ZK Rollup还在开发阶段，而且因此其适应性相比于Optimistic Rollup要弱一些。不过ZK Rollup的优势也很明显，ZK-SNARK免去了交易的见证人，这大大减少了存储在链上的数据，增加可拓展性，而ZK-SNARK能够验证每笔交易也更使其加安全。
类似的，StarkWare也采用ZK Rollup，不过是基于ZK-STARK。由于ZK-STARK技术相比于ZK-SNARK做了可拓展性，跳过初始化可信设置和抗量子计算方面的改进，导致现阶段不如其成熟，而Gas fee的消耗也更高。另外StarkWare使用的是Cairo语言，一旦实现图灵完备，就很难与EVM兼容。为解决这个问题StarkWare 团队开发了代码转译器 Warp，将Solidity 智能合约无缝转换为 Cairo。另外当前StarkWare通过StarEx已经实现了dydx、Immutable、Deversifi专用型的ZK Rollup。
上文对Layer2以及作为其中技术方案之一的Rollup进行了简要介绍，我们认为作为Rollup其中一个方向的ZK Rollup优势更为明显，可拓展性也更好，基于ZK Rollup的链今后可能会被更广泛的使用。但是ZK Rollup 链是否真正能够在主网上线后突破众多侧链和Arbitrum与Optimism的重重包围，占据与其技术水平一样高位置呢？本文尝试通过四个维度评选分析每个维度中表现较好的公链，并以此为依据推测ZK Rollup链的发展潜力，并给出相应建议。
四个维度：
1. 加密原生（Crypto Native）
2. 链上资金 （On-Chain Asset）
3. 生态 （Ecosystem）
4. 社区（Community）
1. 加密原生（Crypto Native）
加密原生即区块链技术核心程度，如概念上的开创性进展、技术上的创新等。例如以太坊开创了图灵完备的虚拟机，将区块链从比特币的支付网络拓展为各种复杂交互，使得DeFi等概念成为可能。而其他拥有独特技术、提出新颖概念、进行不同尝试的公链有很多，我们挑选出Cosmos、Polkdaot和Solana三个公链作为加密原生维度的代表，以阐述公链如何通过自身创新性或性能提升在加密原生领域获得一席之地。
（1）Cosmos
Cosmos认为未来是一个由专注于不同功能应用的区块链构成的多链宇宙。基于这一构想，Cosmos开发了三部分基本组件：1）Tendermint共识协议，2）Cosmos SDK，3）IBC（Inter Blockchain Communication）跨链通信协议，解决了跨链问题，使多链宇宙成为可能。Cosmos精简了区块链应用的开发流程，通过丰富的SDK和Tendermint引擎让开发人员专注于应用本身，而不用过多关注底层的协议。更重要的是，Cosmos实现了原生跨链，每条链都可以通过Cosmos 的枢纽「Hub」进行原子级交易，实现真正的跨链，而不是与其他主流跨链桥一样通过在不同链建立资金池来实现所谓的“跨链”。
（2）Polkdot
Polkadot 则用主链 “中继链”和分片 “平行链”方式来实现跨链。各平行链通过与中继链连接来实现与其他平行链的沟通，而每条中继链可以支持大概 100 条平行链。Polkadot 使用 Wasm 作为元协议，这允许平行链可以定义自己链的逻辑和语言，他们只需把自身的状态转换函数提供给中继链验证人来执行即可与中继链连接。Polkdot的应用可以存在于某个平行链内，也可以跨平行链部署。尽管中继链可以连接各平行链，但是中继链的接口是有限的，所以平行链们需要用拍卖的方式进行竞价来争取插槽，这也即大家经常提及的「插槽拍卖」。
（3）Solana
Solana旨在保持低成本的同时扩大吞吐量。为实现这一目的，Solana采用一种创新的混合共识模型，将独特的历史证明(PoH)算法与闪电般快速的同步引擎(也就是另一种版本的权益证明，PoS)相结合。历史证明(proof-of-history)是Solana协议的核心构成，其可为网络上的每笔交易提供一个时间戳用以确认网络上任何时间点发生的交易。PoH依赖于使用基站拜占庭容错(BFT)算法的PoS，是实用拜占庭容错(pBFT)协议的优化版本。此外，Solana采用独特的Rust语言编写智能合约，使用BPF字节码来实现更高的执行效率即TPS。
2. 链上资金 （On-Chain Asset）
- 链上资金指在该区块链上发行的具有相对稳定购买力的主流代币的集合，如BTC、ETH、BNB、USDT、USDC、DAI等。一条公链上的高质量资产的数量决定了其链上资金可拓展的空间，因为目前区块链中并无普适的信用抵押方式，只能使用资产抵押来增加杠杆，而被抵押资产通常都需要是优质资产以保证安全性，所以我们选择了当前链上优质资产较多的三条公链来作为代表：BSC、 Solana 和 Terra。如下表所示，这三条公链的链上主流资产都是百亿美元级别，且主要为该公链的公链代币、BTC、ETH与USDT、USDC、UST等稳定币，雄厚的链上资金使得链上生态的发展如虎添翼。
图3：BSC、Solana、Terra链上资金情况（截至2022.04.17；数据来源：BSCScan、SolanaExplorer、Terrascop）
3. 生态 （Ecosystem）
- 公链上的生态项目的数量与质量是除资金之外的另一个决定公链发展重要因素。优质的项目可以吸引大量的活跃用户，并衍生出可观的资产，带来海量的外部资金。与此同时，一个完善的生态的建立需要一定数量的优质项目作为支撑，从而带给用户与开发者良好的交互体验，且能够更大限度的抵抗外部风险并拓展资金利用率。据此，我们选择了BSC、Solana和Cosmos作为代表，通过链上TVL、项目数量与转账数来判断其生态发展状况。由下表可见，BSC项目数量最多，Solana转账数最多，而Cosmos则TVL最高。这一现象正体现了这三条公链各自生态的优势所在：(1) BSC作为以太坊侧链，兼容所有基于EVM运行的项目；(2) Solana可以通过高TPS最大化转账效率，优化项目交互体验；(3) Cosmos 通过IBC协议贯通所有IBC链，囊括所有IBC链的TVL。
图4：BSC、Solana、Cosmos生态数据（截至2022.04.17；数据来源：DeFiLama、Nansen、DappRadar、BSCScan、SolanaExplorer、Atomscan、Terrascop）
这三条公链还设有开发者激励计划或获得交易所的代币上所支持，以鼓励开发者来的自己公链开发项目，并给予早期优质项目资源倾斜。例如BSC有最具价值开发者（MVB）加速计划帮助优质创业项目进行更多创新变革，获得行业成熟经验与资金支持，并且加速社区和项目的协同发展。此外，BSC上的优质项目，也会天然被用户给予优先上币安交易所的期望。类似的，Solana 有Hackathon，还有FTX的支持，因此，Solana上的优质项目同样会获得Solana生态基金的资助与开发扶持和上线FTX交易所的预期。Cosmos 则利用SDK降低开发难度，依靠链与链之间的资源互通与生态里的质押空投来激励项目发展，例如新链可以通过引入LUNA和UST，获取Terra链的资本，而Terra链上的项目如Anchor也可以与其他链合作纳入该链代币作为可质押资产，增加该代币的使用场景。
4. 社区 Community
社区维度指公链社区的活跃度与投资机构的支持。一条公链需要得到足够的关注度与资金才能长期可持续的发展下去。社区活跃度我们主要观察各社交媒体的总人数、发言数、消息内容等。投资机构主要观察公链早期投资人与其对于该公链所投入的资源，如资金、宣传与合作。综合考察后，我们评选出BSC、Solana和Avalanche三条公链。如下图所示该三条公链社群体量庞大，而且活跃度较高，同时关注内容也都集中在公链的交互与生态，而不仅仅是代币价格的拉升。具体来说，BSC由于其早期优势，拥有丰富的生态，积累了大量优质活跃用户，这也在其遥遥领先的Twitter 关注人数与Discord 周发言数上体现。而Solana 和Avalanche 则基于新兴市场赢得了很多的telegram 和Discord 用户。而消息内容则主要为链上信息科普、链上操作疑问、预防诈骗、生态项目咨询等。
图5：BSC、Solana、Avalanche Discord表现情况（注：数据皆为英文社区数据，人数为2022年4月18日北京时间11点am数据 ）
不同于币安纯资本与资源的推动，Solana 和Avalanche 社区的繁荣还得益于知名机构投资人们的大力宣传，特别是SBF之于Solana和Suzhu之于Avalanche，他们在自己的社交媒体频繁介绍和推荐相关公链的生态项目，同时由于他们具有一定决策权，也常承诺一些激励性的活动，从而吸引了大量新用户并提升用户参与度。因此除资金支持之外，名人效应及知名投资机构对公链热度也具有一定的帮助。
上述三条公链的主要投资机构如下表所示：
ZK Rollup的未来
OP Research根据我们在判断公链可持续发展道路上的四大判断标准来衡量ZK Rollup的后势：
1. 加密原生 Crypto Native
从加密原生的角度来看ZK Rollup，那么其重要性自然不言而喻。Rollup承载了以太坊走向模块化区块链借此实现扩容的重要角色，也就是将共识交给以太坊一层，将执行和数据可用性转移给Rollup来运行。其中零知识证明作为备受认可的加密原生的方案，本质上是压缩计算量的同时，也保障了数据的正确性。其中技术方案的原理我们在上文已经详细描述，而备受认可的结果，我们可以从当前两大ZK Rollup（StarkWare/zkSync）的募资情况来一窥究竟（详见下文）。
更甚者，连以太坊的创始人Vitalik都曾在其文章中提到，中长期来看，随着 ZK-SNARK 技术的成熟，ZK Rollup 会在所有用例中发挥出优势。这么看的话，ZK Rollup的加密原生属性已经不言自明了。
2. 链上资金 On-Chain Asset
- 第二部分关于ZK Rollup的链上资金我们可以先从以太坊上的存量资金来判断。毫无疑问，以太坊上的具有相对稳定购买力的主流币是所有具有智能合约的公链中最多，不仅ETH的市值始终稳定在所有加密货币中的第二位。其次，主流的美元稳定币如Tether发行的USDT，Circle发行的USDC，基于数字货币抵押的美元稳定币Dai、MIM，以及各种算法稳定币如Frax、Fei，再者，BTC的锚定币如WBTC、HBTC、renBTC，上述拥有链上绝对购买力的主流币，目前主要流通的公链依然是在以太坊中。基于此，ZK Rollup作为备受期待的以太坊扩容解决方案，而Rollup天然的优势使得上述在以太坊一层中停留的链上资金不用承担目前主流跨链桥的风险即可来到二层，自然能承接许多来自以太坊一层的外溢资金。
图6：ZK Rollup潜在链上资金（USD）
3. 生态 Ecosystem
以太坊的诞生由于有着对web3.0的先发优势，本就产生了目前全世界最成熟的区块链生态，无论是从开发者生态，基础设施以及项目生态，甚至到以太坊中的用户生态，都在区块链公链中一骑绝尘。对于ZK Rollup而言，生态的壮大除了链上资金之外，能否吸引目前在以太坊一层上优质的web3.0项目将其主要活动、资金锁仓量、用户迁移至其二层网络上，将成为重中之重的首要任务。其次，能否真的将用户使用使用的费用Gas Fee下降到如BSC/Avalanche，甚至是Solana的等级，将决定ZK Rollup能否把2021年中从以太坊外溢的资金以及流量再此吸引回来。最后，从公链发展历史中，能否让公链有着指数型的链上交易增长，很大程度取决于新形态的叙事故事，如2020年的DeFi、2021年的NFT、GameFi等。因此，伴随着ZK Rollup将带来对于以太坊中的指数型增长，能否有着新形态的web3.0产品落地也会是ZK Rollup能否带领以太坊再创新高的关键因素，以下我们针对zkSnyc/ Starkware的当前生态分别描述。
zkSync方面，从目前揭露的募资消息来看，有着大量的优秀web3.0项目对其进行投资，并且多个CEX也已经宣布开通基于zkSync的提币通道；更重要的是在zkSync中可以使用任何 token 来支付其费用，而无需购买 ETH 或像 MATIC 这样的自定义 token，这个功能将使得zkSync的使用门槛对比其他Layer2甚至其他公链来说会是王炸般的存在。此外，为了降低开发者的开发难度，zkSync2.0从诞生之初就相当强调开发者能使用Solidity通过其zkEVM和编译器结合在一起，实现99%的EVM兼容，这点让DeFi能够在zkSync2.0 中大规模应用的前景看似更有可能发生。
Starkware方面，2020年6月份推出StarkEx 作为其 Layer2 可扩展性引擎，允许创建由 Cairo 和 STARKs 提供支持的应用专用型的 ZK Rollup。目前基于StarkEx在运行的项目已有dydx、Immutable、Deversifi、Sorare，当前链上锁定金额已达到$1.16B，处理了超过 1.4亿万笔交易，累计交易金额超过5180亿美元。根据其官方的发展路径，他们下一步将朝着在同一个 StarkNet 上运行多个应用程序的同一个全局Layer2 ，以此来实现不同应用程序之间的互操作性，并且由于规模经济的提高而降低其Gas Fee成本，最终实现第三阶段的去中心化运营。
图7：StarkNet发展路径（图片来源：https://medium.com/starkware/on-the-road-to-starknet-a-permissionless-stark-powered-l2-zk-rollup-83be53640880）
ZK Sync：TVL $122 M；total transactions 7,264,107 ；生态项目85
Starkware：TVL$1.16B； 145M Tx
（数据来源：https://ecosystem.zkSync.io/ 、 https://l2beat.com/、 https://zkScan.io/、https://starkware.co/starkex/）
4. 社区 Community
- 社区方面，当前ZK Rollup的两大项目在社交媒体的总人数、发言数、消息内容等社区活跃度指标上都已经接近于BSC、Solana、Avalanche，甚至在Discord发言数方面，zkSnyc更是领先于其他公链，而这一切都建立在主网还没上线的当下。从投资机构方面来看，2022年3月，StarkWare 正在以60亿美元的规模进行最新一轮募资，翻开其过往投资者，这绝对是一个超高级的融资水平，除了以太坊创始人Vitalik，还有着币圈著名的顶级投资机构如Paradigm等，更有着在web2.0时代就已经著名在外的红杉资本。另一方面zkSnyc的募资过程看起来更贴近开发者和用户端，除了如Union Square Ventures、A16Z等VC外，更有着一连串DeFi项目以及交易所的投资，而这些项目预期也能对应带给zkSync2.0 主网上线后的快速集成。
图8：ZK Rollup Discord表现
ZK Rollup投资机构及募资情况如下表所示：
因为ZK Rollup的技术优势备受关注，从上述图表中也可看出ZK Rollup的两大天王项目也受到大量的投资机构的追捧，其中特别之处是zkSync中有非常多来自交易所以及web3.0项目方的投资，不难看出不少知名的中心化交易所以及web3.0的项目对于ZK Rollup是相当看好的。
最后，ZK Rollup已经向我们证明了指数型降低在以太坊使用中的Gas Fee以及大幅提升可扩展性是可行的，Op Research非常期待ZK Rollup在可预见的将来，带给以太坊社区以及用户一个全新风貌的以太坊，一切顺利的话，我们可以大胆想象大规模应用的web3.0产品就近在咫尺了。
Reference
https://www.pcmag.com/encyclopedia/term/layer-2-blockchain
https://www.preethikasireddy.com/post/a-normies-guide-to-rollups
Binance (BNB) Blockchain Explorer
https://explorer.solana.com/
https://terrasco.pe/
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