顶上战争:以太坊主流ZK系Layer 2对比

Layer 2 扩展是目前行业最关键的问题之一,原先 L1 是由以太坊本身实现的,在以太坊区块链上运行智能合约平台,但由于以太坊的原始架构存在吞吐量限制和高昂交易手续费等问题,因此需要构建 L2 扩展解决方案来提高交易速度和降低成本。

而基于 zkEVM 项目旨在提高以太坊的可扩展性和安全性,通过使用零知识证明、分片技术和其他技术来实现更快、更高效的交易。

zkEVM(Zero-Knowledge Execution Environment Virtual Machine)是一种利用零知识证明实现隐私保护的以太坊虚拟机。它允许以保护智能合约条款和合约中涉及的数据隐私方式执行智能合同,其中完全是通过零知识证明所实现的。

可以把 zkEVM 视为,在以太坊的智能合约执行过程中,部分数据可在不泄露原始数据的情况下进行处理和验证。项目若引入 zkEVM 可以有效提高智能合约的隐私性和性能,而借由 zkEVM,用户可以在保护隐私的前提下,以更快的速度执行包含秘密计算的智能合约。

根据 Vitalik 的解读, zkEVM 可分为:

(一)类型 1 PSE:(完全以太坊——等效)—— zkEVM 不会改变以太坊系统的任何部分,并力求完全等效。

(二)类型 2 Scroll(完全 EVM——等效)—— zkEVM 看起来会完全等同以太坊,但在数据结构和状态树等方面有所不同。

(三)类型 2.5(EVM——等同于 gas 、成本除外)—— zkEVM 显著增加 GAS 成本,以满足EVM 中非常难以 zk 证明的特定操作,而开发人员在此处部署 dApp 时需要小心,因这些可能会破坏一些开发人员的工具。

(四) 类型 3(几乎等效于 EVM)—— zkEVM 几乎等效于 EVM,但它们必须做出一些牺牲并删除那些难以在 zkEVM 系统中实现的功能。

(五)类型 4(高级语言等效)——这些 zkEVM 在语言级别(Solidity、Vyper)是兼容的。

他们采用用这些语言编写的智能合约,并使其有可能用另一种用于构建 zkEVM 系统的语言进行编译。目前,zkSync 就是这样一种 zkEVM 实现。

zkEVM 分类与线路

目前以太坊扩容方案 Rollup 有两大不同的賽道,Optimistic Rollup 与 zk Rollup ,他们执行原理差不多,主要区别在于交易验证过程。

值得注意的是, zk Rollup 的“零知识证明(ZKP)”技术使用了诸如 SNARKs,这种加密方式验证并在以太坊上发布其交易批次。

因此可以将 ZK rollup 理解成,通过零知识证明(ZKP)将链下执行与链上数据结合起来,也逐步成为 ZK 主流解决方案。

但除了 ZK-rollup 之外,其实还有另外两种解决方案——Validium 和 Volitions。

首先,ZK-rollup的运作简单来说是将多笔交易打包在一起,发布到 L1 上,同时发布一个证明(用零知识证明技术)来声称这些交易有效,一旦在 L1 上验证确实有效,zk-rollup 的状态就会更新。

这套证明机制也被称作“有效性证明”,目前 ZK-rollup 主要采用的证明机制有 zkSNARK 和 zkSTARK。

接着还有 Validium 和 Volitions。

ZK-rollup 将交易分批发送到L1上去执行,是一种无需信任的“自定义安全性”。Validium 则是直接在链下执行,并通过零知识证明来维护数据,只有需要的时候才在主网上验证取款请求的有效性证明。

所以 Validium 可扩展性更高于ZK-rollup(目前最高的TPS可以达到20000以上),缺点即是,它把信任权交给链外“弱信任”第三方扩容,遭受攻击导致数据不可用或者用户无法取出资金的机率较高。

其中,解决安全的方式即是“采用 PoS 机制”,以经济激励来确保数据皆以储存在各个节点当中并且随时可用。

目前采用Validiums方案的代表项目是Immutable X,以 NFT 为中心的扩展解决方案。Vitalik 也曾说过 Validium 严重被低估,其实大多数 dApp 用 Validium 就已经可以满足运行需求了。

至于 Volitions,它是 StarkWare 团队结合 ZK-rollup 和 validium 创造出的 Volitions 方案,顾名思义是关于“决断能力”。Volitions 本质上可同时提供 ZK-rollup 和 validium 两种服务,因为它们共享同一个状态根(state root),用户可以自行选择每笔交易的 DA 模式。

即便像上述所说, Validium 遭受到攻击导致数据不可用或者用户无法取出资金,ZK-rollup 上的资金仍然可以保证安全。因用户可在涉及重要资金往来时选择 ZK-rollup 模式,共享以太坊的安全性,如果是日常娱乐、社交或者小额交易,就可切换回 Validium 模式来提高速度并节省成本。

顶上战争:以太坊主流ZK系Layer 2对比

zkEVM 项目最新进展、分析

1.StarkNet

根据 Dune 显示, StarkNet 桥接用户量达到 318,253 个,超越 Optimism 的 317,758 个。不过在桥接存储总价值方面,StarkNet 仍落后 Optimism ,前者桥接储存价值为 39,900 ETH,后者桥接储存价值为 527,480 ETH,价值超 10 亿美元。作为四大 L2 中(Optimism、Arbitrum、zkSync、StarkNet)估值最高的项目,StarkNet 生态项目,近期的交易活跃度就可见一斑。

StarkNet 已经于 2022 年 11 月 16 日宣布在以太坊主网上部署了其原生代币 $STRK,用于投票、质押和支付费用,代币分配仍待决定。而 StarkNet 母公司 StarkWare 成立于 2018 年,总部位于以色列,两个主要产品为基于以太坊主網構建的擴容引擎 StarkEx 和通用型 ZK-Rollup StarkNet。首先,StarkNet 是 StarkWare 推出的通用型 L2,採取有效性證明方案來獲得主網的安全性,通過 STARK+Cairo 將有效性證明技術打造屬於 StarkNet 原生的生態。

简单来说,用户发起交易后会将交易发送给 Squencer 进行验证、排序和执行,并打包批次,Squencer 通过 Cairo OS 执行交易(Cairo 语言有着 zk 友好特性),也就是 EVM 的角色。Squencer 再将执行交易的踪迹递交给 Prover,由 Prover 对计算完整性生成一个有效性证明,这里的 Prover 也为 StarkEx 生成有效性证明,且可以聚合来自不同 StarkEx 应用和 StarkNet 的交易,实现共享。

二者所使用的底层技术是相通的,StarkEx 相当于通过单个 App 中心化运营的方式提前使用了 ZK Rollup 技术,而 StarkNet 则承担了建立节点网络的去中心化任务。StarkWare 对领域的一项重大贡献,就在于通过 Cairo 语言,将所有的智能合约计算结果转化成了可证明的多项式方程,由此让智能合约与 Validity Proof 相兼容。

StarkWare 在 7 轮融资中累计已获得 2.73 亿美元融资,其中母公司 StarWare 估值 80 亿美金,这也是为何是四大估值最高原因之一。在 zk-rollup 的细分赛道中,StarkNet 并没有在 zkEVM 占上一定用户比例, 目前,StarkNet 的生态仅是初现雏形,交易量过于稀少也让 StarkNet 难以积攒足够数量的交易来均摊有效性证明的成本,导致 StarkNet 的交易确认时间较长,无法发挥极致的可拓展性。

不过今年 1 月 5 日,StarkWare 宣布正式推出编程语言 Cairo 1.0 公开版本,正式取代为期两年的测试、预览版本,也标志着使用该语言在 StarkNet 上编写智能合约已经成为可能,同时也会兼顾高效的执行效率,成为 ZK 系 Layer 2 Rollup 技术派的里程碑事件。

可见对于开发生态对于项目方来说才是生态系统的基础,据 Electric Capital 统计,StarkWare 的全职开发者是 Aptos 和 Sui 的两倍,算上兼职可能有 3 倍左右,而且数量还在增长之中。过去 1 年来增长了 214%,过去 2 年来增长了2220%。即便 StarkNet 暂时放弃朝 EVM 兼容性路线走,但也让 StarkNet 更放开手聚焦于获得更加灵活的开发体验,吸引多元化的开发者。

2. zkSync Era

去年 10 月以太坊 L2 扩容解决方案 zkSync 的 zkSync 2.0 主网第一阶段 Baby Alpha 上线,成为以太坊上第一个 zkEVM 项目中发布的主网,而在今年 3 月 24 日 zkSync 则宣布,zkSync 2.0 主网已进入第二阶段 Fair Onboard Alpha ,允许注册项目皆能在主网上部署,甚至决定将 zkSync 2.0 更名为 zkSync Era、zkSync 1.0 则更名为 zkSync Lite 。zkSync Era 主网正式向公众开放后,3 天内单一地址数便突破 10 万个,1.8 万枚 ETH 跨链进入 zkSync Era。截至今年 4 月 14 日,zkSync Era TVL 已达 2.4 亿美元。

先前 ZkSync Lite 的交易成本其实不高,但整体速度较慢;而 ZkSync Era 则进一步提高了交易速度、并大幅降低了交易成本。不仅如此, ZkSync Era 将会有和现存开发工具更多的集成,以降低外部开发者的进入门槛,简单来说,在这次更新后, ZkSync Era 将会和云端开发环境进行兼容适配,比如谷歌云服务存储数据。

还有,GPU 和非 GPU 环境,都可用于秘钥生成和设置,并且 GPU 加速仍会优化,以便于未来开发硬件加速设备。

zkSync Era 亮点分别为:

(1) 完全不依赖第三方却类似主网的安全性:支持 Solidity 0.8.x 版本,和以太坊主网开发环境保持一致。

(2) 无需许可权的 EVM 相容智能合约:zkSync 的 EVM 兼容性,使 Solidity 和 Vyper 编写的智能合约无需重构即可在 zkSync 上使用。zkSync 这次还为 EVM 语言(Solidity、Vyper、Yul)构建了第一个基于 LLVM(LowLevelVirtualMachine )的编译器,得益于 LLVM 的开源和普适性,最终可让开发人员使用 C++、Rust 等语言编写智能合约。

(3) 标准 Web3 API:Web3 API 与 Ethereum 几乎完全兼容,开发者可使用绝大部分 API。

(4) 保留关键的 EVM 功能,例如智慧合约可组合性。

(5) 引入新功能,如抽象帐户:zkSync Era 直接使用本地抽象帐户,协助 Era 上的任何帐户可以用任何代币支付费用,甚至可以在一些协议愿意补贴的条件下让用户以零费用进行交易。

(6) 执行延迟机制:根据官方 3 月 24 日消息指出,zkSync 宣布 zkSync Era 多层安全机制中的其中一种机制,即“执行延迟”,也就是每个提交给 L1 的 L2 区块在执行和最终确定之前都会有一个时间锁,最初该延迟将是 24 小时,随着系统的成熟,该延迟将逐渐减少,直到移除 Alpha 阶段,届时延迟将被完全移除。此举主要是要确保团队有足够的时间在区块成为最终区块之前验证包含在区块中的交易所带来的任何影响,并且有足够的时间来检测漏洞、调查并通过治理冻结协议。

以上为 zkSync 技术目前最新进展。而 zkSync 开发公司 Matter Labs 的融资背景和技术背景不容小觑,Matter Labs 已于 2022 年 11 月完成 2 亿美元融资,且团队早在 2020 年 12 月 20 日踏上 ZK 道路,推出了 zkSync Lite(zkSync 1.0 ),但当时由于缺乏 EVM 功能,开发人员使用起来相对不便。

因此,可以说 zkSync Era 目前完成度相较以往较高,其面向开发者和项目的技术,例如开源了 zkEVM(零知识以太坊虚拟机)更让开发人员易使用构建自身的生态系统。

其次, zkSync Era 对于接入 Web2 以及硬件之应用以加速和链间扩展性,也有更多的技术储备。

现在生态不仅更适合开发者还有项目可构建自身的生态系统,更吸引了多个应用,包括 DeFi、钱包、跨链、NFT 、基础设施等多个领域,不过 zkSync Era 还处在 Alpha 阶段,生态内许多项目皆属于其他网路的应用迁移,极少原生应用,其风险性依旧未知。

3. Polygon zkEVM

Polygon zkEVM 主网测试版本 3 月 27 日 正式上线,Vitalik 在上面完成了第一笔交易,这次与 EVM 完全兼容,这也意味着它支持与以太坊相同的程式代码。在过去的一年中,Polygon 是收入最高的链,收入超过 2600 万美元,而 Arbitrum 和 Optimism 分别为 1900 万美元和 1800 万美元。

而在去年 10 月上线测试网以来,已取得许多重要的里程碑,包含生成超过 75,000 个 ZK 证明,部署 5,000 个智能合约,大量交易生成的证明成本低至 0.06 美元等。

这一次主网更有突破性发展,Polygon zkEVM 已经通过了 100% 适用于 zkEVM 的以太坊测试向量,开发人员无需修改或重写任何程式码,且所有以太坊工具都可以与 Polygon zkEVM 无缝协作,意味着在 ZK Rollup 的 EVM 兼容再迈出一大步,推测已达到 type 2 的水平,完全等效于 EVM。

会说 Polygon zkEVM 继承了以太坊的安全性,是因 Sequencer 做了类似以太坊 Proposer 的工作,提议了一批交易是有效交易,并且给出了这批交易执行后的新状态;而 L1 合约的验证逻辑,相当于所有 L1 的 Validator 都会在自己的以太坊客户端里执行一遍,实际上是所有的以太坊验证者充当了 Rollup 的验证者,因此才可以验证 Polygon zkEVM 完全等同 L1。

根据 DuneAnalytics 数据,Polygon zkEVM 上线近 24 小时,已超过 2,500 名用户完成超过 2,700 笔、88 万美元的跨链交易量,今(4/14)Polygon TVL 约 360 万美元。

在过去的一年中,Polygon 是所有链中收入最高的,超过 2600 万美元,而 Arbitrum 和 Optimism 分别为 1900 万美元和 1800 万美元。

然而,根据 Token Terminal 的数据,由于代币激励措施让项目平均每年约多负 3 亿美元,但这对 Polygon 拥有的 24 亿美元资金库来说根本不到占比的 15%。

ZK 系以太坊二层扩容产品的竞争意味浓烈,目前 Polygon zkEVM 在 EVM 兼容性上看似暂时胜出,因此可以推测下一个竞争点则是正式上线主网的时间,以及谁先建立稳固的生态系统,预测 L2 将在今年 Q2 到 Q3 成为整个市场的热点。

4. Scroll

Scroll 和 Polygon EVM 分别在开源技术上被市场认为做的最好的项目,除此之外,EVM 兼容程度也非常类似, V 神提出的 4 种不同类型的 ZK-EVM 类型按照兼容或是等效程度从高排列,Zk-sync是 4 型,而 Scroll 和 Polygon 都是组在第 3 型正过渡到第 2 型的发展中。

Scroll 共同创办人 Sandy Peng 4 月 10 日在 Foresight 香港峰会中宣布将推出激励生态的合作计划,未来 3 到 4 个月就会上线主网,近期还以 18 亿美金的估值完成第三轮融资。

Scroll 于去年 8 月宣布试行第一个 Pre-alpha 测试网,使用户能够在该网路上进行交易,并且于今年 1 月 16 日首次完成测试网重置。根据最新消息指出,目前 Scroll 的 Alpha 测试网正式在 Goerli 测试网运行,已经从 Pre-alpha 阶段过渡到 Alpha 测试阶段,在 Alpha 测试网截至上周也已产生超过 100 万个区块。以技术来看,Scroll 开发了世界上最快的 GPU prover,允许任何人利用 GPU 机器搭建证明节点,实现去中心化。

加入的节点越多,算力越大,成本越低,从而激励社区更新更好更快的硬件,迭代专属于 ZK 的 ASIC,进一步缩小 L1 的最终确认时间和证明成本。在ZK Rollup赛道,Scroll 拥有最高的硬件计算效率,除了技术层面,Scroll 团队追求社会和文化层面的去中心化。

2022年,Scroll 团队增加了 39 名成员,分布于 20 多个城市,10 多个时区。其中超过 30 位都是 ZK 或者区块链研究员和开发者。

除了在EVM兼容方面的优秀表现,Scroll证明节点的去中心化和开源的社区经营都体现了以太坊的正统性,达到了价值观层面的“兼容”,顶级硬件速度为 Scroll 注入了更大的潜力。

且Scroll 的三个设计原则或核心价值(社群驱动、安全第一和各个层面的去中心化)是项目的竞争优势。今年注入新资金后,Scroll 计划继续构建其产品,推出其主网并扩大其生态系统。为此,团队表示 Scroll 未来会寻求将目前的团队规模从 60 人左右增加到近 100 人。

5. Linea

Polygon zkEVM 主网 BETA 上线,带给 zkEVM 新热度;ConsenSys 官方也宣布其 ConsenSys zkEVM 更名为 Linea,并已向所有开发人员、用户与协议开放测试网并原生集成了 MetaMask 和 Truffle 等工具;加上此前 Consensys 共获超 7 亿美元的融资(多于 Arbitrum 和 zkSync),由 Microsoft,SoftBank,Temasek,Coinbase Ventures 等参与投资。

而 Linea 技术亮点即是不使用转译器或自定义编译器为 Solidity 智能合约生成 zk 证明,采用的是编译后的 Solidity 字节码。不仅可以降低漏洞和黑客攻击的表面风险,且他们提供的创新证明者设计可确保更快的交易速度和更低的 Gas 成本。

Linea 写道:“我们创新的证明器(Prover)设计确保了更快的交易速度和更低的 Gas 成本,而不会牺牲安全性。”就在向公众开放 Linea 测试网后,仅在第一周,就看到了 270 万笔交易、354,000 个唯一钱包地址、75,000 个已部署合约和 26,000 个关注者,所以 ConsenSys 官方接着宣布创建了开放版纪念 NFT 来庆祝 Linea 的公开测试网发布。

结语

先不说以太坊本未来是否有机会会升级到 Type 1 zkEVM 以进一步进行链上扩展。目前单从 Type 2 到 Type 4 的外部 zkEVM 赛道来看,为开发人员和用户提供独特的定制和 UX 造就了蓬勃生态,这往往是现在以太坊 L1 无法做到的。

以 ZK rollups 技术展开的项目不难看出最终目标都是 zkEVM,而从去年至今将是日常加密货币用户将能够首次尝试 zkEVM 的一年。去年年底市场给出 2023 年的建议是“在 zkEVM 成熟之前,市场格局应该依然是以 OP 主、ZK 为辅”,但今年年初大多 ZK 项目纷纷确认主网上线,看来时机会比去年格局来的更快,在技术上也更稳定了不少。

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