可扩展性一直是以太坊长期以来关注的问题。在以太坊上海升级的直播中，区块链联合创始人 Vitalik Buterin表示：
如果我们不在下一轮牛市之前解决以太坊扩容问题，人们将被迫支付 500 美元的交易费用。
状态通道、侧链和汇总等第 2 层（L2）解决方案不断涌现，以使以太坊更具可扩展性（从而更便宜），同时又不损害安全性或去中心化。
在这场以太坊可扩展性的竞赛中，零知识汇总（或简称 ZK 汇总）被认为是最有前途的解决方案之一。
但是，零知识汇总到底是什么？它们如何提高以太坊的可扩展性？哪一个是最好的？
在这篇博文中，我们将探讨什么是 ZK rollup、它是如何工作的，以及更重要的是，流行的 ZK rollup 彼此之间相比如何。
什么是零知识汇总？
零知识 (ZK) Rollup 是一种第 2 层扩展解决方案，它将合约计算和交易执行转移到链下，以提高以太坊的可扩展性。执行后，ZK Rollup 会批量处理交易，并在以太坊上发布这些交易的有效性证明。
我们可以将 ZK Rollups 的概念分为两个部分：零知识证明（ZKP）和区块链 Rollups。
让我们看看这些单独的概念，以便更好地理解什么是 ZK rollups。
什么是零知识证明（或 ZKP）
零知识证明（ZKP）是一种密码技术，用于证明某些信息的所有权或有效性，而无需透露信息本身。ZKP 技术的这种能力正是它被称为零知识的原因
零知识证明（ZKP）在区块链中有很多用例，包括身份验证、私人交易（如 zCash 所见）和区块链可扩展性。
汇总
区块链汇总是L2 区块链，它在单独的网络上处理交易，将交易汇总成一批，并将其发布在以太坊（L1 网络）上。
Rollups 的基本前提是将多封信件（交易）合并到一个信封（批次）中以便邮寄（记录在区块链上）。
Rollups 通过以下两个方式减轻以太坊网络的计算压力：
计算交易并将状态存储转移到链下，
压缩以太坊上存储的每笔交易的数据。例如，简单的 ETH 转账在以太坊上大约需要 110 个字节，但在 rollup 上仅需要大约 12 个字节。
以太坊主网上 ETH 转账所需的存储量与 Rollup 的存储量。
这两个概念结合在一起，使零知识汇总成为以太坊高效且安全的扩展解决方案。
零知识汇总如何工作？
为了理解零知识汇总的工作原理，让我们将流程分为两部分——核心基础设施和执行流程。前者由组成汇总的移动部件组成，而后者是汇总扩展以太坊的途径。
核心基础设施
ZK rollup 的核心基础设施包括两部分：链上合约和链下虚拟机。
链上合约
ZK rollup 由运行在以太坊上的智能合约操作。主合约存储 rollup 区块、跟踪存款并监控来自 ZK rollup 的状态更新。另一个验证者合约用于验证区块生产者提交的 ZK 证明。
链下虚拟机
这是 ZK Rollups 的链下执行引擎，负责交易和链状态的计算和存储。Rollups 使用 ZKP 来帮助基于以太坊的验证者合约验证此链下虚拟机中所有计算的准确性和合法性。
执行过程
ZK rollups 的执行过程可以分为三个部分：排序、证明生成、证明验证。
测序
与以太坊上的节点运营商类似，L2 具有排序器，可以执行交易，将其汇总成批，并提交给 ZK Rollup 合约。这个过程称为排序。
证明生成
ZK rollup 运算符生成有效性证明来验证批量交易的正确性。
证明验证
验证机制，即 zk SNARK 或 zk STARK，用于验证链上提交的 zk 证明的完整性。该证明需要证明从 L1 的预状态根到 ZK rollup 的后状态根的一系列有效交易。如果有效，则 ZK Rollup 的后状态根被接受为“有效”，并在以太坊上发布。
ZK Rollups 的类型：ZK-SNARKs 与 ZK-STARKs
以下是 STARK 和 SNARK 相互比较的简要概述：
什么是 ZK-SNARK
在两种 ZK Rollup 类型中， ZK SNARK更受欢迎，主要是因为它们规模较小，生成证明所需的 gas 更少，验证证明的速度也更快。然而，它们容易受到中心化风险的影响，因为它们需要可信的设置。
什么是 ZK-STARK？
另一方面，ZK STARK 本质上更加去中心化。它们还具有抗量子攻击能力，因此更适合安全领域。
哪个更好：ZK-SNARK 还是 ZK-STARK
这个问题没有非黑即白的答案，因为 ZK-STARK 和 ZK-SNARK 具有不同的优点和局限性。如果您更倾向于选择性能，那么您可能想要使用 ZK-SNARK；如果安全性对您来说更重要，那么 ZK-STARK 更适合您。
ZK Rollups 与 Optimistic Rollups：有什么区别？
零知识 (ZK) Rollups 和 Optimistic Rollups都是旨在增强以太坊可扩展性的第 2 层扩展解决方案，但它们在交易验证和安全性方面的方法存在很大差异。从高层次来看，差异很简单。ZK Rollups 遵循“有罪直至被判无罪”的原则，默认认为每笔交易都是欺诈性的，并要求网络证明不是这样。
更深入地讲，ZK Rollups 依靠加密有效性证明（ZK-SNARK 或 ZK-STARK）来验证交易的真实性。相反，Optimistic Rollups无需证明即可验证交易，而是依靠验证者在争议期内质疑不正确的交易。
由于每笔交易批次都包含有效性证明，ZK Rollup 还可实现近乎即时的最终性；而乐观 Rollup 则因争议机制而使用提款延迟。最后，ZK Rollup 也比乐观 Rollup 更安全。然而，它们的计算成本可能更高。
由于这些差异，ZK rollups 通常受到需要高安全性和快速结算的应用程序的青睐，而 Optimistic rollups 因其较低的计算成本而受到通用可扩展性的青睐。
ZK Rollups 的挑战和局限性
虽然 ZK Rollups 为以太坊的可扩展性问题提供了一个令人信服的解决方案，但它仍然面临着一些挑战：
计算复杂性
生成 ZK 证明需要大量的计算资源，因此成本高昂且限制了可访问性。
开发人员采用
一些汇总，例如 StarkNet，要求开发人员学习新的编程语言（例如 Cairo），从而设置了进入门槛。
智能合约兼容性
虽然 Polygon zkEVM 和 Scroll zkEVM 等解决方案力求与以太坊完全兼容，但其他解决方案仍在努力无缝支持所有现有的以太坊 dApp。
中心化风险
许多当前的 ZK rollup 实现依赖于中心化的排序器和证明器，这可能会破坏去中心化，直到进一步的去中心化努力实现为止。
解决这些限制对于 ZK rollups 的广泛采用至关重要。
ZK Rollup 比较：哪个最好？
在兼容以太坊的 ZK Rollup 类别中，有四个主要支持者正在构建有前景的解决方案：Polygon、Scroll、zkSync 和 StarkWare。让我们来看看这四个。
Polygon ZK 技术
Polygon 是最早研究 ZK 技术并将其作为 L2 扩展解决方案的项目之一。他们为零知识技术相关工作投入10 亿美元，证明了他们对 ZK 技术的信心。
Polygon 的 ZK 套件目前有 4 款产品由 Polygon zkEVM 提供支持
Hermez： Hermez 是 Polygon 的去中心化 ZK Rollup 协议，采用“效率证明”，允许任何用户成为排序器（批量处理交易）或聚合器（生成 ZK 证明）。这降低了中心化及其相关风险。
Miden： Miden 是 Polygon 的 EVM 兼容通用 ZK Rollup，具有智能合约本地执行功能。只需要向网络提交证明，即可实现并行交易（提高效率）。
Nightfall：Polygon Nightfall 是 Optimistic Rollup 与 ZK 技术的结合，旨在满足企业级扩展需求。Nightfall 融合了 Optimistic Rollup 的效率以及 ZK 技术的隐私元素。因此，它为涉及敏感数据的企业用例开辟了道路。
Zero： Polygon Zero 是完全兼容 EVM 的 ZK Rollup 解决方案。它采用 Plonky2 — 一种递归证明系统，可简化有效性证明生成所需的时间和资源。
通过这些产品，Polygon 提供了广泛的 ZK Rollup 解决方案，这些解决方案包括：
快速： Plonky2 在0.17 秒内生成 ZK 证明
高效： Hermes 2.0 旨在最小化证明尺寸。
经济： Gas 成本从 5M 降低至 350K
这些是在以太坊可扩展性竞赛中需要注意的解决方案。
滚动 zkEVM
Scroll 是使用 zk-rollup 技术的以太坊第 2 层扩容解决方案。它是一种通用的 zk-rollup，这意味着它可用于支持任何类型的以太坊应用程序。
Scroll 的架构由三部分组成：
Scroll 节点：这是 Layer 2 和 Layer 1 之间的桥梁，它从 Layer 2 上的用户交易构建区块并提交给以太坊。
滚动网络：该节点网络生成零知识（ZK）有效性证明，以证明区块中交易的正确性。
Rollup 和桥合约：该合约桥接以太坊和 Scroll 之间的资金转移，验证 ZK 有效性证明，并确保数据可用性。
除了架构之外，Scroll 还有两个有助于扩展以太坊的独特功能：
去中心化证明：任何人都可以通过质押 Scroll 网络的原生代币 SCR 成为 Roller。质押的 SCR 数量决定了 Roller 被选中生成证明的概率。这确保了证明是去中心化的，而不是由一小部分实体控制。
证明成本低： Scroll 使用一种新技术来降低证明成本。这使得任何人都可以参与 Roller 网络，即使他们没有大量的计算资源。
自 2023 年 2 月推出以来，Scroll 已吸引了超过 100 万个唯一地址和 200 多万笔交易。
zkSync 时代
zkSync 由 Matter Labs 开发，是一款与 EVM 兼容的 ZK Rollup，经过了重大升级。最初以 zkSync 1.0（现称为 zkSync Lite）的形式推出，功能有限，最近已发展成为 zkSync Era，一款全面的 zkEVM。这条最新的链引入了新功能，例如本机帐户抽象和 LLVM 编译器。
自升级以来，zkSync Era 表现出色，在不到两个月的时间内使用 ZKP 处理了超过 1600 万笔交易。它的总锁定价值 (TVL) 也已超过 1 亿美元，显示出其日益增长的受欢迎程度。
使用 zkSync Era 的优点是：
数据压缩： zkSync 优先考虑数据可用性（DA）及其成本，这最终决定了交易成本。通过仅在链上发布状态差异，zkSync 可以提高 DA 并降低具有大量输入数据的交易成本。
账户抽象：账户抽象是 zkSync 的原生功能，旨在改善用户和开发者的体验。初始用例仅限于以任何选择的货币支付 gas 费。使用 zkSync 上的账户抽象，可以实现更多用例，例如社交恢复、补贴 gas 和批处理复杂交易。
这些功能使 zkSync Era 成为扩展以太坊的强大引擎。
斯塔克网络
StarkNet 是适用于以太坊的通用、与 EVM 兼容的第 2 层扩展解决方案。它由 StarkWare 公司开发，该公司由 Eli Ben-Sasson 创立，他是 ZK STARK 证明的共同发明人，也是专注于隐私的加密支付网络 Zcash 的创始科学家。
通过使用 StarkWare 的 ZK 技术，StarkNet 可以扩展到每天数百万笔交易，同时仍保持以太坊的安全性。
StarkNet 仍在开发中，但它有潜力成为以太坊的主要扩展解决方案。它已经吸引了许多开发人员和项目，包括 dYdX、Immutable 和 DeversiFi。
与其他 ZK 协议不同的是，StarkNet 采用 STARK（简洁非交互式知识论证）证明，而不是常用的 SNARK（可扩展透明知识论证）证明。
然而，在 EVM 兼容性方面，StarkWare 的 StarkNet 是兼容性最差的 ZK Rollup。这是因为 StarkWare 正在开发 StarkNet，以便它也可以作为一条独立链运行，而不是完全依赖于以太坊。
ZK rollups 和 zkEVM 一样吗？
ZK rollups 和 zkEVM 的区别，就如同以太坊和 EVM 的区别一样，前者是记录交易的区块链，后者是智能合约计算发生的计算环境。
ZK Rollups：潜力与未来
ZK Rollups 在效率和隐私之间取得了良好的平衡，为区块链应用提供了更广泛的用例。ZK Rollups 的未来前景光明，正在进行的研究和开发重点是提高效率和可访问性。
递归证明聚合方面的进步，例如 Plonky3 和 Nova，使证明生成更快、更具成本效益。
其他努力，例如第 3 层解决方案和共享流动性网络，可以实现不同汇总之间更顺畅的交互。
此外，随着以太坊在其可扩展性路线图中不断推进，ZK Rollup 将受益于数据可用性成本的降低，从而使其在长期内更具可行性。随着这些技术的成熟，ZK Rollup 有望成为以太坊可扩展性的主导解决方案，甚至有可能在采用和效率方面超越 Optimistic Rollup。
