StarkNet Alpha 於昨日上線以太坊主網，一文理解 ZK-Rollups 與以太坊的擴容之路

以太坊廣受讚賞的 ZK Rollup 擴容方案 StarkNet Alpha 於昨日上線以太坊主網，該解決方案有助於緩解以太坊當前高昂的手續費使用環境。目前已經有好幾個擴展解決方案被實際採用，但 ZK-Rollup（Zero-Knowledge Rollup）技術始終被視為是擴容解決方案的最佳解答，原因究竟為何呢？

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以太坊可擴展性問題

高昂的 gas fees 已經成為以太坊的主要問題，由於交易費用是以 ETH 支付，當資產價格上漲時，使用網路的成本也隨之上升，ETH 今年上漲了 460%，這意味著以美元計算的交易成本也增加了 460%。另外，交易費用也取決於網絡擁堵程度，由於目前的鏈上應用項目對以太坊區塊空間有著極大的需求，但是區塊空間是有限的，導致其網路很容易變得擁擠，使交易確認速度變慢及 gas fee 變高。

使用網路的高成本成為用戶參與 DeFi（去中心化金融）和 NFT 的阻礙，甚至失去參與 DAO 的機會，許多加密貨幣愛好者已經遷移到其他第一層區塊鏈上，如 Solana（SOL）和Avalanche（AVAX）。

以太坊交易 gas 價格中位數（來源：Glassnode）

在過去的幾年裡，幾個擴展解決方案已經被開發出來，以幫助緩解以太坊的網路擁堵及交易成本問題。Polygon 在 2019 年推出，可以說是第一個獲得巨大吸引力的以太坊擴容解決方案，該網路使用一個名為 Plasma 的擴容方案，它將交易從主要的以太坊區塊鏈轉移到一個專用的側鏈，許多以太坊原生的 DeFi 應用已經在 Polygon 上推出，如 Curve（CRV）和 Aave（AAVE）。

雖然 Polygon 網路透過低交易成本成功吸引用戶使用，但它常被質疑安全性和中心化問題，而被認為不是一個真正的擴展解決方案，該網路使用其自身的節點驗證者管理 PoS 共識機制，這意味著它不使用以太坊主網來驗證交易，根據截稿前的 Polygonscan 的數據，只有 100 個驗證者管理 Polygon 網路，最大的驗證節點地址佔其整體網路驗證區塊的 27% 以上。

Polygon 網路前 25 大區塊驗證者占比（來源：Polygonscan）

Rollup 擴展解決方案

近期 Rollup 擴展解決方案在以太坊社群引起了一陣熱議，Rollup 方案顧名思義就是一種將計算數據「打包」並將有效性證明（Validity Proof）送回以太坊主網的方式，這種做法可節省區塊空間，進一步減少提交給主網的數據量，由於交易被綑綁在一起，Gas fee 就能讓許多用戶分攤。Rollup 為用戶提供了近乎即時的交易速度，可以將費用減少 50 到 200 倍，同時保持以太坊主網的安全性和去中心化。

目前 Rollup 方案的兩種類型分別為 Optimistic Rollup 和 Zero-Knowledge Rollup（ZK-Rollup）。

什麼是 Optimistic Rollup？

Optimistic Rollup 方案假設發回主鏈的交易是合法的，只有當驗證人能夠透過提交詐欺證明（Fraud Proof）來證明交易是詐騙性的，交易才會被拒絕，換句話說，Optimistic Rollups 採取「在證明有罪之前是無罪的」的方法來驗證交易。

目前 Optimistic Rollup 已經能看到實際採用情形，部分原因是開發者在該網路上開發應用程式較容易，Optimistic Rollup 可以直接支援完整的智能合約功能，開發人員可以使用以太坊的程式語言 Solidity 編寫應用程式。根據 L2beat 的數據顯示，目前最大的 Optimistic Rollup 網路 Arbitrum 已經在 DeFi 應用程式當中吸引了超過 25 億美元的總鎖倉價值（TVL），它承載了以太坊上許多受歡迎的 DeFi 應用。

然而，由於 Optimistic Rollup 驗證交易的方法，它們面臨著一些挑戰，傳送回以太坊主網的資金要經歷長達一週的挑戰期（Dispute Time Delay），這給用戶帶來了不便，並破壞了可組合性。雖然 Optimistic Rollups 已經改進了基於 Plasma 的解決方案，如 Polygon，但他們通常被認為是不如 ZK-Rollups 的，Optimistic Rollups 提供高達 77 倍的可擴展性提升，而 ZK-Rollups 提供了高達 500 倍的提升，並且無挑戰期。

什麼是 ZK-Rollup？

ZK-Rollup 方案在交易打包至主網時產生加密證明以證明交易是合法的，只有在加密證明被驗證後，交易才會在以太坊上被接受，與 Optimistic Rollup 不同，ZK-Rollup 採取了「在證明無罪之前有罪的」的驗證方式。

然而，ZK-Rollup 還沒有達到與 Optimistic Rollup 同類產品相同的兼容性水平，因為 ZK-Rollup 在每筆交易中要伴隨著有效性證明，所以它們在技術發展上更難，目前 ZK-Rollup 的開發上已經能執行一些簡單的任務，例如直接轉帳和交易，雖然整合智能合約功能是有可能的，但比 Optimistic Rollup 更加困難。

就在今年，以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 預測，開發完全可組合的 ZK-Rollup 將需要幾年時間，然而，開發人員已經提前完成了計劃，幾個 ZK-Rollups 項目正在準備部署解決方案，這些解決方案是兼具可組合性和互操作性，甚至能讓多個 Rollups 互通。

ZK-Rollups 的發展將允許以太坊主網和多個第 2 層網路之間共享通訊框架，網路可以共享流動性並克服第 1 層區塊鏈面臨的最大的採用挑戰，基於 ZK-Rollup 的網路將不需要為了讓去中心化交易所上擁有高效率交易而爭奪流動性，而是能夠以合作的方式擴展以太坊。

ZK-Rollup 還具有另一個獨特的功能，越多人交易會使交易費用變得更便宜，發送一個批次的費用不會有太大的變化，隨著更多的交易被打包在一個批次中，交易成本可以在更多的用戶中分攤，ZK-Rollups 可以打包幾乎無限量的交易，因此當有足夠的用戶時，交易的 gas fee 可以減少到只要幾分錢，這個功能被稱為「有效性證明攤銷（Validity Proof Amortization）」。

雖然以太坊仍然面臨著可擴展性問題，但一些開發者已經在部署第二層 ZK-Rollup 網路，承諾在智能合約、其他第二層解決方案和以太坊虛擬機之間實現完全可組合性和兼容性。

ZK-Rollup 的類型

目前有兩種不同類型的 ZK-Rollup 被用於以太坊的擴展解決方案中，第一種是最被廣泛使用的類型 ZK-SNARKs，全名為簡潔的非交互式知識論證（Succinct non-interactive arguments of knowledge），也是第一個被發現的零知識證明類型，專注於隱私保護的區塊鏈項目 Zcash（ZEC）早在 2016 年就採用 ZK-SNARKs，該技術構成了 ZK-Rollup 大部分開發者的資料庫和代碼，並被認為是以太坊擴展項目的一個強有力的選擇。

但 SNARKs 有一個缺陷，它們需要一個初始創建事件的密鑰，這些密鑰用於創建交易所需的證明，如果可信設置事件中的密鑰沒有被銷毀，它們可以被用來憑空創造新的代幣或偽造交易。

目前備受矚目的 SNARK 擴展解決方案是 Matter Lab 的 zkSync，該項目於 2020 年 6 月啟動，在其目前的迭代中宣稱每秒可處理 2000 筆交易，並希望在未來實現更高的吞吐量，今年 5 月時，該平台開始致力於在兼容 EVM 的環境中部署智能合約，推出了 zkEVM 測試網。

zkSync 目前著重於讓 Ethereum 主網的過渡盡可能容易，那些想在 zkEVM 上開發的人可以使用以太坊程式語言 Solidity 編寫智能合約。Matter Labs 最近在 a16z 領投的 B 輪融資中籌集了 5000 萬美元，以幫助 zkSync 的發展，此外，該公司已與幾個以太坊 DeFi 應用合作，如 Curve、Aave 和 1inch。

STARKs

另一種 ZK-Rollup 方案為 STARKs，全名為可擴展的透明知識論證（Scalable transparent arguments of knowledge），STARKs 比 SNARKs 更有優勢，因為 STARKs 完全依賴哈希函數，不需要可信的設置，這意味著 STARKs 在理論上比 SNARKs 更安全。

StarkWare 是第一家使用 STARKs 來擴展以太坊的公司，是目前開發基於 STARK 技術的主要推動者，該公司的兩位聯合創始人 Eli Ben-Sasson 和 Michael Riabzev 共同發明了這項技術，StarkWare 為基於 STARK 的 ZK-Rollups 創造了一種圖靈完備的編程語言，稱為 Cairo，「StarkEx 協議」是以 Cairo 語言創造的第一個產品。

StarkEx 是一種針對特定應用的擴展解決方案，目前正被幾個以太坊項目使用，包括 dYdX、Immutable X、Sorare 和 DeversiFi。StarkWare 即將發布的 StarkNet 是一個無權限的 ZK-Rollup 網路，可以讓開發者直接在第二層建構並啟動應用程式，StarkNet 的目標是成為一個真正去中心化的多應用擴展解決方案。

StarkNet 發展示意圖（來源：StarkWare）