zk-Rollups：Layer-2扩展技术详解

区块链可扩展性的挑战与解决方案

随着加密货币的广泛采用，解决区块链网络的可扩展性问题变得至关重要。区块链拥堵导致速度变慢和交易费用增加。为了解决这个问题，我们有两个主要框架：Layer 1 和 Layer 2 解决方案。

Layer 1 解决方案直接提升区块链的基础结构，以提高整个系统的吞吐量。分片（sharding）就是一个典型例子，通过将区块链分割成不同的部分，增加系统容量并允许同时处理交易。Layer 2 解决方案则在基础区块链之上运行，交易在链外处理并批量提交到基础链上。关键技术包括状态通道、侧链和汇总（rollups）。zk-rollups 是一种利用零知识证明（ZKPs）的汇总方式。

zk-rollups 是什么？

要理解 zk-rollups，首先需要了解汇总和零知识证明。

汇总允许区块链将交易数据打包在一起，并在链外处理。处理完成后，结果被提交到基础链上。同时处理大量交易可以避免区块链膨胀，并使计算更快、更便宜。汇总分为两类：乐观汇总和 zk-rollups。

乐观汇总基于一个假设——所有汇总的交易都是合法的。在这些交易被提交到区块链之前，会有一个等待期。在此期间，网络可以对有问题的交易提出挑战。Optimism、Arbitrum 和 opBNB 是乐观汇总的例子。zk-rollups 则不同，它们通过零知识驱动的有效性证明来验证每笔交易。虽然实施起来更为复杂，但 zk-rollups 旨在避免乐观汇总中的争议解决期，理论上可以更快地处理交易。

零知识证明（ZKP）是一种加密工具，允许一方（证明者）向另一方（验证者）证明某一陈述的真实性，而无需透露关于该陈述的任何细节。ZKP 必须具备三种品质：完整性、健全性和零知识性。零知识证明的工作原理可以分为三个步骤：见证、挑战和回应。

zk-rollups 的工作原理

zk-rollups 有两个核心组成部分：链上合约和链外虚拟机。链上合约定义了 zk-rollup 协议运行的规则，包括主合约和验证合约。主合约存储汇总块、跟踪存款并进行重要更新。验证合约则验证生成的 ZKPs。链外虚拟机在 L2 处理交易执行，与以太坊链独立运行。

zk-rollups 与以太坊区块链紧密结合，但它们不会用交易的每一个细节来淹没以太坊。相反，它们聪明地提供打包的摘要，确保基础层保持无杂乱且高效。

使用 zk-rollups 的优缺点

使用 zk-rollups 的好处包括提高吞吐量、减少拥堵、降低费用、增强安全性以及加快交易挑战期。缺点则包括其固有的复杂性、受到基础层限制以及流动性碎片化。

乐观汇总与 zk-rollups 的对比

乐观汇总假设交易有效，并设置一个挑战期以便网络对欺诈交易提出挑战，使用欺诈证明机制，实施相对简单且广泛采用，代表包括 Optimism、Arbitrum 和 opBNB。zk-rollups 则验证所有交易，使用有效性证明，没有挑战期，实施复杂，采用相对较少，代表包括 zkSync 和 Starknet。

结语

可扩展性常被誉为区块链技术的“圣杯”。如果系统不能最佳运行，使用它就毫无意义。乐观汇总和 zk-rollups 为这一长期问题提供了优雅的解决方案。zk-rollups 以其独特的方式，承诺更快的速度、更少的流量和强大的安全性。尽管它们有复杂性，但潜力巨大。对于任何关注数字货币未来的人来说，了解 zk-rollups 是必需的。在我们追求更好的区块链性能时，现在正是熟悉 zk-rollups 及其未来承诺的时机。