Rollup：zkSync v2.0和ZK-Rollup的未来

简介

“ZK-Rollup”可能是今年最热门的网络流行语。随着zkSync2.0版本“baby alpha”主网的推出，这种兴奋情绪已经达到了顶峰。但在所有这些流行语背后，“ZK-Rollup”真正指的是什么?zkSync会在哪里发挥作用呢？在本文中，我将努力深入研究ZK-Rollup的原理和实践，解释作为一个项目的zkSync v2.0的关键技术特征，并探索这一期待已久的技术的潜在未来影响。

ZK-Rollup的原理

为什么我们需要ZK-Rollup？以太坊很棒，但在目前的状态下，该网络从根本上来说是一种规模不经济。随着网络活动的增加，gas价格昂贵得令人望而却步。随着以太坊在过去几年中越来越受欢迎，其目前有限的可扩展性已成为该网络的致命弱点。

这就是“Rollup”发挥作用的地方——以太坊的Rollup本质上是一个“插件”，为以太坊提供了额外的可扩展性，从而解决了其固有的规模不经济问题。这个想法的背后逻辑是比较简单的。假设你有 5 件物品需要从 A 点搬运到 B 点。“常规”方式是依次搬运第 1 件、第 2 件等。但这显然是缓慢和繁琐的。“Rollup”本质上是将所有5件物品“打包”到一个包中，这样你就可以只搬运1次而不是5次。

但有两点需要注意：

我们如何确保Rollup能够“适合”所有内容?

我们如何确保Rollup没有被欺骗?

ZK-Rollup是一种主要的Rollup技术(另一种是Optimistic Rollup)，它利用“零知识证明”来解决这两个问题。为了解决这些问题，ZK-Rollup将一定数量的交易捆绑在一起，在L2上进行计算，并向L1上的验证者提交状态更改和“有效性证明”，以表明计算是完整的。这种“有效性证明”是以“零知识证明”的形式进行的，这是一种数学方法，告诉别人你知道某件事，而不告诉他们你知道什么。

零知识证明的一个简单例子是代码自动评分程序(用于CS作业)。自动评分程序是一个“验证者”，它为我们提供一堆随机生成的测试用例，而我们是一个“证明者”，必须能够通过所有的测试用例，以证明自己有正确的代码。一直以来，我们都不会直接与自动评分程序共享代码。刚刚我们就进行了一个“零知识证明”，证明我们知道一些事情，而不用说出知道什么。

代码自动评分程序——零知识证明的简单示例。资料来源：Gradescope。

上面的代码自动评分程序使用“交互式零知识证明”，自动评分程序和代码提供者直接“交互”。相比之下，大多数ZK-Rollup使用数学上更复杂的非交互式证明(如zk-SNARK)，这与交互式证明相比节省了时间和空间。虽然zk-SNARK的技术细节超出了本文的范围，但是测试用例传递的基本原则是相同的。

ZK-Rollup的圣杯是零知识以太坊虚拟机(zkEVM)，允许开发人员在不修改的情况下将任何以太坊智能合约移植到ZK-Rollup链上。但这很难。因为每个“问题”都需要不同的“测试用例”集，开发一个可以解决每个想象得到的测试用例的“证明算法”是零知识证明和ZK-Rollup的技术瓶颈。

正如Vitalik Buterin所说：

总的来说，我个人的观点是，在短期内，Optimistic Rollup可能会在通用EVM计算中胜出，而ZK-Rollup可能会在简单的支付、交换和其他特定于应用程序的用例中胜出，但从中长期来看，随着zk-SNARK技术的改进，ZK-Rollup将在所有用例中胜出。

因此，从历史上看，ZK-Rollup只是针对特定应用程序的用例建立的技术，其中“测试用例”的定义明确且范围有限。然而，一些项目正在迅速朝着“山上城堡”的方向发展——一种与 EVM 兼容的通用ZK-Rollup算法。

zkSync v2.0

zkSync v2.0是目前开发zkEVM的众多项目中的一个(其他项目包括StarkNet、Polygon Hermez和Scroll)。zkSync v1.0它要求用户重新构建大部分代码库以从 EVM 移植到 zkSync，在zkSync v2.0中，程序员可以在几乎不做任何更改的情况下部署他们的应用程序。

在实践中，并非所有zkEVM都是一样的。在可组合性(它与原始EVM合约的接近程度)和性能(ZK-Rollup的运行速度)之间存在明显的权衡。在这种权衡中，zkSync选择完全优化性能，从而牺牲了组合性。

在Vitalik Buterin看来，zkEVM有四种不同的类型，归纳如下表：

zkEVM 的类型

注释和改编自https://vitalik.ca/general/2022/08/04/zkevm.html

正如Vitalik所言，zkSync v2.0目前的状态是Type 4 zkEVM，它能够使用自己的编译器编译Solidity和高级语言编写的合约，这与EVM不同。因为zkSync可以完全控制编译器的设计，所以他们能够积极地优化速度和吞吐量。这样做的代价是，一些dApp和EVM调试工具链可能与zkSync v2.0不兼容。本质上，zkSync是与以太坊相同的汽车外壳，但更换了引擎。

事实上，在其开发人员文档中，Matter Labs声称，虽然智能合约的“读”操作可以在不改变任何代码的情况下集成，但智能合约的“写”操作需要“额外的代码”，因为“L1和L2之间有根本差异”。实际上，这有点误导人。这与其说是由于L1和L2之间的“根本差异”，不如说是由于Matter Labs决定追求的ZK-Rollup的类型——Type 4 Rollup。因为zkSync基本上是使用不同编译器和字节码的Type 4 Rollup，这意味着智能合约有不同的地址，依赖字节码分析的调试器基础设施可能无法在 zk-Sync v2.0 上工作。

未来，zkSync可能会添加更多对EVM字节码的本地支持，允许系统慢慢过渡到支持更广泛的“边缘情况”的Type 3 Rollup。但zkSync的Type 4或Type 3 ZK-Rollup要想与Polygon Hermez和Scroll Labs的Type 2 Rollup更成功，就必须满足两个重要的先决条件。首先，只有一小部分不重要的项目与zkSync的自定义编译器不兼容。其次，与 Type 2 zkEVM 相比，zkSync 的执行速度存在质的差异。

但是，任何高级的开发生态系统都依赖于成熟的“脚手架”基础设施，包括方便的、模块化的、调试和测试工具。如果正如Vitalik所假设的那样，由于字节码的差异，大部分EVM本地调试工具将无法移植到zkSync，那么zkSync将不得不开发自己的测试和调试工具套件。与更可组合的Type 2 zkEVM竞争对手(如Polygon Hermez和Scroll)相比，这是额外的开销，可能最终会阻碍zkSync作为L2解决方案的采用速度。

ZK-Rollup的未来

在zkEVM的竞争中有许多竞争对手，可以说，我们看到一个功能齐全的zkEVM只是一个时间问题。但接下来呢？ZK-Rollup的长期优势来自于使用该解决方案的项目。

目前，DeFi、GameFi和移动应用程序是ZK-Rollup基础设施的主要受益者。DeFi和GameFi从根本上来说都是规模经济，因为它们在有很多人使用它们的环境中蓬勃发展。像移动钱包这样的移动应用程序也给大众消费者打开了闸门。因此，在这些情况下使用ZK-Rollup非常有意义。

但这绝不是ZK-Rollup用途的极限。现在这仅仅是一个开始。ZK-Rollup之于以太坊，就像5G之于互联网。正如5G可以实现物联网应用和系统的新世界一样，ZK-Rollup也可能打开“区块链物联网”的闸门，允许我们物理世界的数字设备——冰箱、手表、红绿灯等——与以太坊上的智能合约集成。

反对物联网的最大论点之一是，它将允许大型科技公司越界进入我们的日常生活。但是有了“区块链物联网”，我们就可以享受物联网带来的便利，而不用担心我们的智能设备在一个集中的数据库中被泄露。我们可以拥有便利和隐私，而不是方便或隐私。这就是ZK-Rollup向我们承诺的世界。