OP Research：深度分析| ZK Rollup 能否在Layer2 競賽中突出重圍？

編者按：

本文內容僅供參考學習，非投資建議。

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作者：OP Research

Layer2作為以太坊公鏈的優化方案，一直是大家關注、討論、研發的熱點，例如Axie所在的Ronin、DYDX所用的Starknet、Arbitrum、Optimism、ZKSync等，眾多研發團隊對Layer2技術方案進行了積極嘗試。那到底什麼是Layer2呢？以太坊公鏈本身被稱為Layer1、主網或者主區塊鏈層，Layer2則是指將交易從主區塊鏈層移到可以與主鏈通信的單獨一層中以實現更快速的交易與更低的Gas Fee。如下圖所示，Layer2類似於在以太坊主網上嫁接了一條“高速公路”，對以太坊主網交易量進行分流，緩解以太坊主區塊鏈層交易擁堵的情況。目前Layer2已出現多個技術方案，包括狀態通道、側鏈、Plasma、Rollup等。側鍊和Rollup是當下大家常聽到的方案，但側鍊和Rollup的區別在於，側鏈需要有自己獨立的節點進行驗證，其安全性主要依賴於側鏈自身（Polygen就是側鏈的案例之一）；而Rollup則是直接基於Layer1在鏈下批量集中處理交易並將更新情況發佈到主區塊鏈，同時在鏈上發布交易數據，其安全性依然依靠Layer1。

圖1：Layer0、Layer1和Layer2示意圖

雖然Rollup相比於側鏈安全性更可靠，但目前對以太坊主網的優化效果依然有限，但不可否認的是，Rollup是真正基於以太坊主網實現的優化，以太坊主網的項目不需要做任何更改就可以進入使用Rollup方案的鏈，而用戶也不需要冒著風險使用跨鏈橋來轉移資產，也即以太坊上任何可能的交易都可以在Rollup中執行。其原理如下圖所示，基於Rollup技術方案的鏈會在以太坊主網上建立一個Rollup合約來監控Rollup鏈上的狀態，其中包括了在鏈上進行交易的用戶的賬戶餘額和其中存在的合約的智能合約代碼，這些信息被記錄在由一個鍵值映射組成的“狀態根”中，其中鍵是地址，值是帳戶。每個賬戶最多有4 個屬性：餘額、隨機數、代碼（僅適用於智能合約）和存儲（僅適用於智能合約）。由於Rollup只是將交易數據發佈到主鏈而不是執行鏈上的交易，發佈在主鏈上的交易數據和狀態根很可能是欺詐性的，所以為了解決這個關鍵問題，樂觀Rollup （Optimistic Rollup） 和零知識Rollup （ZK Rollup）方案被提了出來。

圖2：Rollup技術原理示意圖

不同於Optimistic Rollup 樂觀的認為所有被提交的狀態根都是可信的，並通過提交欺詐證明來保證安全，ZK Rollup 中ZK-Sync使用ZK-SNARK 的加密證明來發布狀態根，並使用零知識證明技術（允許一方向另一方證明某件事而不透露證明它所必需的信息）來驗證狀態根的真實性，從而避免訪問數據本身以保證隱私性。相比於Optimistic Rollup需要一周才能提現，ZK Rollup 只要10 分鐘就能提取資產。但ZK-SNARK作為一個新技術，而其數學原理極為複雜，導致目前ZK Rollup還在開發階段，而且因此其適應性相比於Optimistic Rollup要弱一些。不過ZK Rollup的優勢也很明顯，ZK-SNARK免去了交易的見證人，這大大減少了存儲在鏈上的數據，增加可拓展性，而ZK-SNARK能夠驗證每筆交易也更使其加安全。

類似的，StarkWare也採用ZK Rollup，不過是基於ZK-STARK。由於ZK-STARK技術相比於ZK-SNARK做了可拓展性，跳過初始化可信設置和抗量子計算方面的改進，導致現階段不如其成熟，而Gas fee的消耗也更高。另外StarkWare使用的是Cairo語言，一旦實現圖靈完備，就很難與EVM兼容。為解決這個問題StarkWare 團隊開發了代碼轉譯器Warp，將Solidity 智能合約無縫轉換為Cairo。另外當前StarkWare通過StarEx已經實現了dydx、Immutable、Deversifi專用型的ZK Rollup。

上文對Layer2以及作為其中技術方案之一的Rollup進行了簡要介紹，我們認為作為Rollup其中一個方向的ZK Rollup優勢更為明顯，可拓展性也更好，基於ZK Rollup的鏈今後可能會被更廣泛的使用。但是ZK Rollup 鍊是否真正能夠在主網上線後突破眾多側鍊和Arbitrum與Optimism的重重包圍，佔據與其技術水平一樣高位置呢？本文嘗試通過四個維度評選分析每個維度中表現較好的公鏈，並以此為依據推測ZK Rollup鏈的發展潛力，並給出相應建議。

四個維度：

1. 加密原生（Crypto Native）

2. 鏈上資金（On-Chain Asset）

3. 生態（Ecosystem）

4. 社區（Community）

1. 加密原生（Crypto Native）

加密原生即區塊鏈技術核心程度，如概念上的開創性進展、技術上的創新等。例如以太坊開創了圖靈完備的虛擬機，將區塊鏈從比特幣的支付網絡拓展為各種複雜交互，使得DeFi等概念成為可能。而其他擁有獨特技術、提出新穎概念、進行不同嘗試的公鏈有很多，我們挑選出Cosmos、Polkdaot和Solana三個公鏈作為加密原生維度的代表，以闡述公鏈如何通過自身創新性或性能提升在加密原生領域獲得一席之地。

（1）Cosmos

Cosmos認為未來是一個由專注於不同功能應用的區塊鏈構成的多鏈宇宙。基於這一構想，Cosmos開發了三部分基本組件：1）Tendermint共識協議，2）Cosmos SDK，3）IBC（Inter Blockchain Communication）跨鏈通信協議，解決了跨鏈問題，使多鏈宇宙成為可能。 Cosmos精簡了區塊鏈應用的開發流程，通過豐富的SDK和Tendermint引擎讓開發人員專注於應用本身，而不用過多關注底層的協議。更重要的是，Cosmos實現了原生跨鏈，每條鏈都可以通過Cosmos 的樞紐「Hub」進行原子級交易，實現真正的跨鏈，而不是與其他主流跨鏈橋一樣通過在不同鏈建立資金池來實現所謂的“跨鏈”。

（2）Polkdot

Polkadot 則用主鏈“中繼鏈”和分片“平行鏈”方式來實現跨鏈。各平行鏈通過與中繼鏈連接來實現與其他平行鏈的溝通，而每條中繼鏈可以支持大概100 條平行鏈。 Polkadot 使用Wasm 作為元協議，這允許平行鏈可以定義自己鏈的邏輯和語言，他們只需把自身的狀態轉換函數提供給中繼鏈驗證人來執行即可與中繼鏈連接。 Polkdot的應用可以存在於某個平行鏈內，也可以跨平行鏈部署。儘管中繼鏈可以連接各平行鏈，但是中繼鏈的接口是有限的，所以平行鏈們需要用拍賣的方式進行競價來爭取插槽，這也即大家經常提及的「插槽拍賣」。

（3）Solana

Solana旨在保持低成本的同時擴大吞吐量。為實現這一目的，Solana採用一種創新的混合共識模型，將獨特的歷史證明(PoH)算法與閃電般快速的同步引擎(也就是另一種版本的權益證明，PoS)相結合。歷史證明(proof-of-history)是Solana協議的核心構成，其可為網絡上的每筆交易提供一個時間戳用以確認網絡上任何時間點發生的交易。 PoH依賴於使用基站拜占庭容錯(BFT)算法的PoS，是實用拜占庭容錯(pBFT)協議的優化版本。此外，Solana採用獨特的Rust語言編寫智能合約，使用BPF字節碼來實現更高的執行效率即TPS。

2. 鏈上資金（On-Chain Asset）

• 鏈上資金指在該區塊鏈上發行的具有相對穩定購買力的主流代幣的集合，如BTC、ETH、BNB、USDT、USDC、DAI等。一條公鏈上的高質量資產的數量決定了其鏈上資金可拓展的空間，因為目前區塊鏈中並無普適的信用抵押方式，只能使用資產抵押來增加槓桿，而被抵押資產通常都需要是優質資產以保證安全性，所以我們選擇了當前鏈上優質資產較多的三條公鏈來作為代表：BSC、 Solana 和Terra。如下表所示，這三條公鏈的鏈上主流資產都是百億美元級別，且主要為該公鏈的公鏈代幣、BTC、ETH與USDT、USDC、UST等穩定幣，雄厚的鏈上資金使得鏈上生態的發展如虎添翼。

圖3：BSC、Solana、Terra鏈上資金情況（截至2022.04.17；數據來源：BSCScan、SolanaExplorer、Terrascop）

3. 生態（Ecosystem）

• 公鏈上的生態項目的數量與質量是除資金之外的另一個決定公鏈發展重要因素。優質的項目可以吸引大量的活躍用戶，並衍生出可觀的資產，帶來海量的外部資金。與此同時，一個完善的生態的建立需要一定數量的優質項目作為支撐，從而帶給用戶與開發者良好的交互體驗，且能夠更大限度的抵抗外部風險並拓展資金利用率。據此，我們選擇了BSC、Solana和Cosmos作為代表，通過鏈上TVL、項目數量與轉賬數來判斷其生態發展狀況。由下表可見，BSC項目數量最多，Solana轉賬數最多，而Cosmos則TVL最高。這一現象正體現了這三條公鏈各自生態的優勢所在：(1) BSC作為以太坊側鏈，兼容所有基於EVM運行的項目；(2) Solana可以通過高TPS最大化轉賬效率，優化項目交互體驗；(3) Cosmos 通過IBC協議貫通所有IBC鏈，囊括所有IBC鏈的TVL。

圖4：BSC、Solana、Cosmos生態數據（截至2022.04.17；數據來源：DeFiLama、Nansen、DappRadar、BSCScan、SolanaExplorer、Atomscan、Terrascop）

這三條公鏈還設有開發者激勵計劃或獲得交易所的代幣上所支持，以鼓勵開發者來的自己公鏈開發項目，並給予早期優質項目資源傾斜。例如BSC有最具價值開發者（MVB）加速計劃幫助優質創業項目進行更多創新變革，獲得行業成熟經驗與資金支持，並且加速社區和項目的協同發展。此外，BSC上的優質項目，也會天然被用戶給予優先上幣安交易所的期望。類似的，Solana 有Hackathon，還有FTX的支持，因此，Solana上的優質項目同樣會獲得Solana生態基金的資助與開發扶持和上線FTX交易所的預期。 Cosmos 則利用SDK降低開發難度，依靠鏈與鏈之間的資源互通與生態裡的質押空投來激勵項目發展，例如新鏈可以通過引入LUNA和UST，獲取Terra鏈的資本，而Terra鏈上的項目如Anchor也可以與其他鏈合作納入該鏈代幣作為可質押資產，增加該代幣的使用場景。

4. 社區Community

社區維度指公鏈社區的活躍度與投資機構的支持。一條公鏈需要得到足夠的關注度與資金才能長期可持續的發展下去。社區活躍度我們主要觀察各社交媒體的總人數、發言數、消息內容等。投資機構主要觀察公鏈早期投資人與其對於該公鏈所投入的資源，如資金、宣傳與合作。綜合考察後，我們評選出BSC、Solana和Avalanche三條公鏈。如下圖所示該三條公鏈社群體量龐大，而且活躍度較高，同時關注內容也都集中在公鏈的交互與生態，而不僅僅是代幣價格的拉升。具體來說，BSC由於其早期優勢，擁有豐富的生態，積累了大量優質活躍用戶，這也在其遙遙領先的Twitter 關注人數與Discord 週發言數上體現。而Solana 和Avalanche 則基於新興市場贏得了很多的telegram 和Discord 用戶。而消息內容則主要為鏈上信息科普、鏈上操作疑問、預防詐騙、生態項目諮詢等。

圖5：BSC、Solana、Avalanche Discord表現情況（注：數據皆為英文社區數據，人數為2022年4月18日北京時間11點am數據）

不同於幣安純資本與資源的推動，Solana 和Avalanche 社區的繁榮還得益於知名機構投資人們的大力宣傳，特別是SBF之於Solana和Suzhu之於Avalanche，他們在自己的社交媒體頻繁介紹和推薦相關公鏈的生態項目，同時由於他們具有一定決策權，也常承諾一些激勵性的活動，從而吸引了大量新用戶並提升用戶參與度。因此除資金支持之外，名人效應及知名投資機構對公鏈熱度也具有一定的幫助。

上述三條公鏈的主要投資機構如下表所示：

ZK Rollup的未來

OP Research根據我們在判斷公鏈可持續發展道路上的四大判斷標準來衡量ZK Rollup的後勢：

1. 加密原生Crypto Native

從加密原生的角度來看ZK Rollup，那麼其重要性自然不言而喻。 Rollup承載了以太坊走向模塊化區塊鏈藉此實現擴容的重要角色，也就是將共識交給以太坊一層，將執行和數據可用性轉移給Rollup來運行。其中零知識證明作為備受認可的加密原生的方案，本質上是壓縮計算量的同時，也保障了數據的正確性。其中技術方案的原理我們在上文已經詳細描述，而備受認可的結果，我們可以從當前兩大ZK Rollup（StarkWare/zkSync）的募資情況來一窺究竟（詳見下文）。

更甚者，連以太坊的創始人Vitalik都曾在其文章中提到，中長期來看，隨著ZK-SNARK 技術的成熟，ZK Rollup 會在所有用例中發揮出優勢。這麼看的話，ZK Rollup的加密原生屬性已經不言自明了。

2. 鏈上資金On-Chain Asset

• 第二部分關於ZK Rollup的鏈上資金我們可以先從以太坊上的存量資金來判斷。毫無疑問，以太坊上的具有相對穩定購買力的主流幣是所有具有智能合約的公鏈中最多，不僅ETH的市值始終穩定在所有加密貨幣中的第二位。其次，主流的美元穩定幣如Tether發行的USDT，Circle發行的USDC，基於數字貨幣抵押的美元穩定幣Dai、MIM，以及各種算法穩定幣如Frax、Fei，再者，BTC的錨定幣如WBTC、HBTC、renBTC，上述擁有鏈上絕對購買力的主流幣，目前主要流通的公鏈依然是在以太坊中。基於此，ZK Rollup作為備受期待的以太坊擴容解決方案，而Rollup天然的優勢使得上述在以太坊一層中停留的鏈上資金不用承擔目前主流跨鏈橋的風險即可來到二層，自然能承接許多來自以太坊一層的外溢資金。

圖6：ZK Rollup潛在鏈上資金（USD）

3. 生態Ecosystem

以太坊的誕生由於有著對web3.0的先發優勢，本就產生了目前全世界最成熟的區塊鏈生態，無論是從開發者生態，基礎設施以及項目生態，甚至到以太坊中的用戶生態，都在區塊鏈公鏈中一騎絕塵。對於ZK Rollup而言，生態的壯大除了鏈上資金之外，能否吸引目前在以太坊一層上優質的web3.0項目將其主要活動、資金鎖倉量、用戶遷移至其二層網絡上，將成為重中之重的首要任務。其次，能否真的將用戶使用使用的費用Gas Fee下降到如BSC/Avalanche，甚至是Solana的等級，將決定ZK Rollup能否把2021年中從以太坊外溢的資金以及流量再此吸引回來。最後，從公鏈發展歷史中，能否讓公鏈有著指數型的鏈上交易增長，很大程度取決於新形態的敘事故事，如2020年的DeFi、2021年的NFT、GameFi等。因此，伴隨著ZK Rollup將帶來對於以太坊中的指數型增長，能否有著新形態的web3.0產品落地也會是ZK Rollup能否帶領以太坊再創新高的關鍵因素，以下我們針對zkSnyc / Starkware的當前生態分別描述。

zkSync方面，從目前揭露的募資消息來看，有著大量的優秀web3.0項目對其進行投資，並且多個CEX也已經宣布開通基於zkSync的提幣通道；更重要的是在zkSync中可以使用任何token 來支付其費用，而無需購買ETH 或像MATIC 這樣的自定義token，這個功能將使得zkSync的使用門檻對比其他Layer2甚至其他公鏈來說會是王炸般的存在。此外，為了降低開發者的開發難度，zkSync2.0從誕生之初就相當強調開發者能使用Solidity通過其zkEVM和編譯器結合在一起，實現99%的EVM兼容，這點讓DeFi能夠在zkSync2. 0 中大規模應用的前景看似更有可能發生。

Starkware方面，2020年6月份推出StarkEx 作為其Layer2 可擴展性引擎，允許創建由Cairo 和STARKs 提供支持的應用專用型的ZK Rollup。目前基於StarkEx在運行的項目已有dydx、Immutable、Deversifi、Sorare，當前鏈上鎖定金額已達到$1.16B，處理了超過1.4億萬筆交易，累計交易金額超過5180億美元。根據其官方的發展路徑，他們下一步將朝著在同一個StarkNet 上運行多個應用程序的同一個全局Layer2 ，以此來實現不同應用程序之間的互操作性，並且由於規模經濟的提高而降低其Gas Fee成本，最終實現第三階段的去中心化運營。

圖7：StarkNet發展路徑（圖片來源：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 ；生態項目85

Starkware：TVL$1.16B； 145M Tx

（數據來源：https://ecosystem.zkSync.io/ 、 https://l2beat.com/、 https://zkScan.io/、https://starkware.co/starkex/）

4. 社區Community

• 社區方面，當前ZK Rollup的兩大項目在社交媒體的總人數、發言數、消息內容等社區活躍度指標上都已經接近於BSC、Solana、Avalanche，甚至在Discord發言數方面，zkSnyc更是領先於其他公鏈，而這一切都建立在主網還沒上線的當下。從投資機構方面來看，2022年3月，StarkWare 正在以60億美元的規模進行最新一輪募資，翻開其過往投資者，這絕對是一個超高級的融資水平，除了以太坊創始人Vitalik ，還有著幣圈著名的頂級投資機構如Paradigm等，更有著在web2.0時代就已經著名在外的紅杉資本。另一方面zkSnyc的募資過程看起來更貼近開發者和用戶端，除瞭如Union Square Ventures、A16Z等VC外，更有著一連串DeFi項目以及交易所的投資，而這些項目預期也能對應帶給zkSync2 .0 主網上線後的快速集成。

圖8：ZK Rollup Discord表現

ZK Rollup投資機構及募資情況如下表所示：

因為ZK Rollup的技術優勢備受關注，從上述圖表中也可看出ZK Rollup的兩大天王項目也受到大量的投資機構的追捧，其中特別之處是zkSync中有非常多來自交易所以及web3. 0項目方的投資，不難看出不少知名的中心化交易所以及web3.0的項目對於ZK Rollup是相當看好的。

最後，ZK Rollup已經向我們證明了指數型降低在以太坊使用中的Gas Fee以及大幅提升可擴展性是可行的，Op Research非常期待ZK Rollup在可預見的將來，帶給以太坊社區以及用戶一個全新風貌的以太坊，一切順利的話，我們可以大膽想像大規模應用的web3.0產品就近在咫尺了。

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/