ZK VS Optimistic，以太坊擴容之爭。
原文作者：Brendan Farmer，Polygon工程師
原文標題：《ZK and the Future of Ethereum Scaling》
編譯：海爾斯曼，鏈捕手
上個月，Offchain Labs發表了一篇名為《為什麼說Optimistic Rollup 比ZK Rollup 更能代表以太坊擴容的未來？ 》的文章，比較了ZK Rollups 和Optimistic Rollup 兩個擴容技術。 1月19日，Polygon的零知識證明工程師Brendan Farmer發文回應了OR 社區的文章，表示要“友好辯論”，通過這兩篇文章，我們可以更加客觀、辯證地比較兩者的優缺點。
Arbitrum 最近發布了一篇很棒的文章，認為Optimistic Rollups (OR) 代表了以太坊的未來，因為與ZK Rollups (ZKR) 相比，Optimistic Rollups提供了自身固有的可擴展性和成本優勢。文章寫得很好，值得一讀。
本著友好辯論的精神，我們想提出不同的觀點。 Polygon 已向ZK 投入了10 億美元，這足以說明，我們堅信它是以太坊擴容方案中最有希望的途徑。
雖然Optimistic Rollups具有“準備就緒”的優勢，但ZK 擴展解決方案具也有兩個結構優勢：
1、ZK Rollups支持使用鏈上和鏈下數據模式進行擴展，後者提供比任何Rollup更高的吞吐量和更低的費用；2、用戶可在與以太坊橋接往返的過程中沒有延遲，並且不依賴流動性提供者。
2021年有一點很明顯，即不同的用戶更喜歡在安全性和交易成本之間進行不同的權衡，部分由於Polygon 的快速增長。 Optimistic Rollups提供了安全性，但交易費用遠高於側鍊或alt-L1。
ZK不要求用戶在安全性和成本之間做出特定的權衡。當用戶選擇rollup 模式時，相對於Optimistic rollup，ZK提供同等的安全性和更高的資本效率。當數據在鏈下時，ZK 提供比側鍊和alt-L1 更高的可擴展性和安全性，而且費用相同。
我們相信，ZK 的可擴展性、低成本和資本效率，將會是以太坊擴容到十億用戶的最佳選擇。
Rollups概述
Rollups 是一種擴展以太坊的方法，即將交易執行移出鏈外，但由以太坊來保證每筆交易的有效性。實際上，我們可以將資金存入智能合約，並在匯總時與這些資金進行低價交互，從而保證我們的資金與在以太坊上交易一樣安全。
這是可行的，因為rollup使用以太坊進行數據可用性和交易驗證。恢復rollup的最新狀態和添加新交易所需的全部數據都發佈到以太坊，並且交易會通過欺詐或有效性證明進行驗證。
OR 中使用的防欺詐機制要求資金在爭議期內鎖定（目前Arbitrum 和Optimism 鎖定一周）。如果rollup中包含無效交易，任何人都可以在爭議期間提交欺詐證明並將其還原。相比之下，ZK rollup包含一個有效性證明，以加密方式保證所有交易都是有效的，從而消除了任何延遲的需要。
ZK的狀態
首先，要承認ZK rollup還沒有完全達到大肆傳播的程度。我們仍在等待支持通用智能合約的ZK rollup 投入生產，目前使用的證明系統效率還較為低下。
然而，如果我們放眼未來，ZK 密碼學正在以難以置信的速度發展。遞歸證明是可擴展和去中心化ZK rollup的重要原語，在十年前，它還只停留在理論層面。兩年前，遞歸證明需要兩分鐘才能生成。但今天，多虧了plonky2，一個由Polygon Zero團隊創建的突破性的證明系統，我們能夠以毫秒為單位測量證明時間。在筆記本電腦上生成遞歸證明僅需170ms，而且我們預計證明時間和成本將繼續減少。
Arbitrum 的文章認為，證明生成會產生巨大的成本，而這部分將由用戶承擔，因為它涉及數千次昂貴的橢圓曲線運算，因此需要大規模並行識別或昂貴的硬件。但是，plonky2 根本不使用橢圓曲線，我們的基準測試是在筆記本電腦上執行的。
實際上，rollup成本主要由CALLDATA 的成本決定。我們可以從Arbitrum 當前的交易費用中看出這一點，其中代幣交換成本約為4 美元。作為比較，即使假設需要10 分鐘（對Polygon Zero來說相對比較高的估計）來證明在具有32 個內核和64gb RAM 的c6g.8xlarge 實例上進行交換，增加的成本僅為0.18 美元。
與CALLDATA 相比，這不是一個特別大的成本，正如我們將看到的，它被ZK 的其他優勢所抵消。零知識技術還在迅速發展，現在輕視零知識擴容方案是很短視的。
有效性
不同的用戶在區塊鏈的成本和安全性之間做出不同的權衡。數以百萬計的人使用Polygon PoS 鏈來獲得低費用和高吞吐量，即使交易有效性不能像rollup一樣得到保證。
我們相信，數百萬用戶面臨擴展解決方案時，多會選擇將使用數據放在鏈外而不是rollup。 Validium（Starkware發明的術語） 與ZK-rollup 類似，將有效性證明發佈到以太坊以保證交易有效性，但數據保持在鏈外以節省CALLDATA 成本。 Validium有很多好處：
- 不再受CALLDATA 塊大小的限制，因此可以擴展到比rollup高100 倍以上的吞吐量
- 費用要低得多
- 費用波動性應該更低，因為Validia消耗的gas要少得多，因此用戶不至於陷入關於區塊空間的rollup競價戰
ZK 擴展為L2 的設計空間打開了包含Validia 的空間，它提供了比Optimism和ZK rollup更高的吞吐量，並提供資金不會被盜的加密保證。
對Validia 的（完全）假設性攻擊
ZK 懷疑論者會注意到，理論上，即使Validium 上的驗證者不能直接竊取用戶資金，他們也可以對用戶發起攻擊，從而扣留鏈的最新狀態並拒絕處理新交易。因此，驗證者可以劫持用戶資金。然而，我們覺得這個問題被誇大了。
首先，“數據扣押攻擊”需要三分之二的驗證者參與，這意味著大量的質押資產將面臨風險。攻擊將使代幣價格崩盤，降低攻擊者自己質押代幣的價值，並抵消所未來的費用收入。由於驗證者不能直接竊取用戶資金，他們需要協調受影響用戶的贖金支付，因此支付是不確定的。此外，鯨魚可能會保持rollup模式，因此攻擊者需要成功地從大量用戶中提取贖金以彌補權益損失。很難看出，在實際中這種攻擊如何做到有利可圖。
進一步的可擴展性優勢
除了Validia 提供的巨大可擴展性優勢之外，ZK rollup還比OR 更具可擴展性，因為它們為開發人員提供了降低費用的選項，即在不犧牲安全性的情況下減少CALLDATA 使用。所有rollup都需要發布重建最新狀態所需的最少數據，但OR 必須將驗證每個單獨交易所需的全部數據發佈到以太坊。相比之下，ZKR可以將每批交易的最小狀態增量發佈到以太坊，只發布恢復賬戶最終狀態所需的信息。這對於壓縮AMM 池等合約的狀態更新非常重要。
OR黨的一個回應是，這種壓縮實際上隱藏了重要的鏈數據，並且rollup應該提供對每筆交易歷史的去信任可見性。我認為這個論點忽略了一個重要的觀點，雖然ZKR 上的開發人員可以選擇為少數需要它的應用程序發布未壓縮的CALLDATA，但大多數應用程序和用戶會更喜歡較低的費用，這是只有ZKR 才能提供的折衷方案。
因此，ZK為鏈上和鏈下數據可用性提供了擴展優勢。如果我們要將以太坊帶給10 億人，我們必須讓用戶能夠做出成本和安全權衡。
資本效率
OR有一個持續一周的爭議期，這會對想退出rollup的用戶造成提款延遲。關於提款延遲有很多惡評，包括以太坊礦工或驗證者假設的為期一周的審查攻擊，當然這極不可信。
但是，提款延遲確實會導致資本效率低下。提前提款是可實現的，但做市商無法完全消除資本效率低下，尤其是在規模上。當面臨加密波動時，一周的時間其實非常長，如果流動性進入和退出OR 之間存在不平衡，那麼流動性提供者將需要承擔在提款期間持有鎖定資金的風險。雖然流動性提供者將競相為快速提款提供低費用，但他們將面臨必須轉嫁給用戶的鎖定資金的巨大機會成本。
相比之下，ZK 擴容解決方案允許用戶在向以太坊發布證明時提取資金，從而消除了對流動性提供者的需求並提高了資金效率。 Arbitrum 的文章聲稱ZK rollups 僅在橋接到以太坊L1 時具有優勢，但事實上，ZK rollups也可以在其他鏈上檢查有效性證明，保證交易有效性和快速提款。
ZK的缺點
ZK rollups 確實面臨幾個缺點。 Polygon Hermez 團隊在完整的zkEVM rollup方面取得了令人矚目的進展，其中， EVM字節碼的執行可直接通過有效性證明進行驗證。其他專注於將Solidity編譯為ZK 友好字節碼的團隊，例如我們在Polygon Zero 或Polygon Miden、StarkWare 和zkSync 的團隊，可能會在使用現有以太坊開發人員工具時面臨挑戰。
但在實踐中，絕大多數Solidity 代碼的行為應該相同，因為我們從EVM 轉移到ZK 字節碼所做的修改並不會影響功能，主要涉及到替換在算術電路中計算成本高昂的原語，如Keccak -256，具有算術電路友好的原語。
最終，零知識擴容提供的結構優勢，應該提供足夠的激勵來改進和調整開發人員工具，使其更易於在ZK L2上部署。
結論
總之，我們相信零知識擴容是以太坊的未來。 Optimistic rollups 是一項了不起的技術，它們為困擾以太坊的高gas 費用提供了直接的解決方案。但是，Optimistic rollups讓用戶不得不面臨特殊的權衡，即安全性是以更高的費用和資本效率低下為代價的。
相比之下，ZK 可容納更多不同類型的用戶，不論是以rollup模式進行交易、對費用不敏感的鯨魚，還是以驗證模式進行低價交易的用戶。 ZK 提供了將以太坊帶給10 億用戶的最佳途徑。
此外，ZK還具有可擴展性和資本效率之外的優勢。 OR 受限於L1 上的可能性，因為欺詐證明必須能夠在以太坊上執行。 ZK 沒有這個限制，可使用不同的簽名方案（有人想到Apple Secure Enclave 中使用的P-256 曲線嗎？）和L1 不支持的原語。用戶可以在L2 上私下進行批量交易，以更低的成本獲得L1 的流動性，這是Aztec 開創的一種方法。
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