ROC:简析主要 Layer 2 DEX 优劣势：StarkNet、Loopring、ZKSwap 与 Unipig_ROCO

近期以太坊上的高手续费和低TPS使以太坊上的Layer2扩容之争变成了焦点。本篇文章将以市场上既有的产品为基础，从技术方案角度出发，比较当下ZKSwap方案和其他扩容方案的异同之处。在具体的展开描述之前，也将简短的介绍下目前市场上的Layer2扩容技术的基本状况。

Layer2扩容技术概述

迄今为止，Layer2市场上已经是一片繁荣，技术上不断创新，各种产品也层出不穷。对于市场上的所有的产品，从技术角度上划分，可以大体分为三类：

状态通道：通过促进链下交易来减轻以太坊的负担，具有即时存取、高吞吐的特点，其弊端是设置通道浪费耗时，并且需要在通道中支付锁定资金，同时定时监测通道状态；

侧链技术：具有独立共识规则的独立区块链，与Layer1的共识不同步，这是它的弊端；

Rollup技术：可以看作是一个高级的非托管侧链技术，它将计算放在链下，交易数据以及最新世界状态放在链上，保证了链上数据可用性。

与其他的两种方案相比，Rollup无需提前锁定代币，也不用设置自己的共识规则；而且它还可以保持和Layer1同样等级的安全性，同时方案本身具有通用性。随着Layer2技术的持续发展，Rollup技术方案也变得多样化，根据交易数据存储的位置和使用的证明方法的不同，又可以将Rollup技术细分为以下四类：

LendHub被黑简析：系LendHub中存在新旧两市场:金色财经报道，据慢雾安全区情报，2023 年 1 月 13 日，HECO 生态跨链借贷平台 LendHub 被攻击损失近 600 万美金。慢雾安全团队以简讯的形式分享如下：

此次攻击原因系 LendHub 中存在两个 lBSV cToken，其一已在 2021 年 4 月被废弃但并未从市场中移除，这导致了新旧两个 lBSV 都存在市场中。且新旧两个 lBSV 所对应的 Comptroller 并不相同但却都在市场中有价格，这造成新旧市场负债计算割裂。攻击者利用此问题在旧的市场进行抵押赎回，在新的市场进行借贷操作，恶意套取了新市场中的协议资金。

目前主要黑客获利地址为 0x9d01..ab03，黑客攻击手续费来源为 1 月 12 日从 Tornado.Cash 接收的 100 ETH。截至此时，黑客已分 11 笔共转 1,100 ETH 到 Tornado.Cash。通过威胁情报网络，已经得到黑客的部分痕迹，慢雾安全团队将持续跟进分析。[2023/1/13 11:11:00]

ZKRollup：Layer1+Validityproofs，数据存储在链上，用零知识证明来保证状态转换的有效性；

安全团队：Defrost Finance被攻击事件简析:金色财经报道，据区块链安全审计公司Beosin旗下Beosin EagleEye安全风险监控、预警与阻断平台监测显示，Defrost Finance预言机被恶意修改，并且添加了假的抵押token清算当前用户，损失超1300万美元。攻击者通过setOracleAddress函数修改了预言机的地址，随后使用joinAndMint函数铸造了100,000,000个H20代币给0x6f31地址，最后调用liquidate函数通过虚假的价格预言机获取了大量的USDT。后续攻击者通过跨链的方式将被盗资金转移到了以太坊的0x4e22上，目前有490万美元的DAI在0x4e22地址上，有500万美元的DAI在0xfe71地址上，剩余300万美元的ETH被转移到了0x3517地址上。[2022/12/25 22:06:35]

OptimisticRollup：Layer1+Fraudproofs，数据存储在链上，在挑战期间，用欺诈证明来验证状态转换的有效性；

Validium：Layer2+Validityproofs，数据存在链下，用零知识证明来保证状态转换的有效性，并设立「数据可用性委员会」来保证链下数据的可用性；

Beosin：Skyward Finance项目遭受攻击事件简析:金色财经报道，根据区块链安全审计公司Beosin旗下Beosin EagleEye 安全风险监控、预警与阻断平台监测显示，Near链上的Skyward Finance项目遭受漏洞攻击，Beosin分析发现由于skyward.near合约的redeem_skyward函数没有正确校验token_account_ids参数，导致攻击者5ebc5ecca14a44175464d0e6a7d3b2a6890229cd5f19cfb29ce8b1651fd58d39传入相同的token_account_id，并多次领取了WNear奖励。本次攻击导致项目损失了约108万个Near，约320万美元。Beosin Trace追踪发现被盗金额已被攻击者转走。[2022/11/3 12:12:36]

Plasma：Layer2+Fraudproofs，数据存储在链下，用户提供欺诈证明来验证状态转换的有效性；

在实际的产品设计过程中，基于不同的业务场景，设计者往往需要在效率和安全性上做出权衡，要效率还是要绝对安全，每个产品设计时都有自己的侧重面。因此，也就有了上述的四种Rollup方案。现在市面上的大部分产品，按技术分类的话，应该大都属于上述四类，更准确的说，是属于前三类，第四类方案提出的最早，安全性考虑的较少。

慢雾：跨链互操作协议Nomad桥攻击事件简析:金色财经消息，据慢雾区消息，跨链互操作协议Nomad桥遭受黑客攻击，导致资金被非预期的取出。慢雾安全团队分析如下：

1. 在Nomad的Replica合约中，用户可以通过send函数发起跨链交易，并在目标链上通过process函数进行执行。在进行process操作时会通过acceptableRoot检查用户提交的消息必须属于是可接受的根，其会在prove中被设置。因此用户必须提交有效的消息才可进行操作。

2. 项目方在进行Replica合约部署初始化时，先将可信根设置为0，随后又通过update函数对可信根设置为正常非0数据。Replica合约中会通过confirmAt映射保存可信根开始生效的时间以便在acceptableRoot中检查消息根是否有效。但在update新根时却并未将旧的根的confirmAt设置为0，这将导致虽然合约中可信根改变了但旧的根仍然在生效状态。

3. 因此攻击者可以直接构造任意消息，由于未经过prove因此此消息映射返回的根是0，而项目方由于在初始化时将0设置为可信根且其并未随着可信根的修改而失效，导致了攻击者任意构造的消息可以正常执行，从而窃取Nomad桥的资产。

综上，本次攻击是由于Nomad桥Replica合约在初始化时可信根被设置为0x0，且在进行可信根修改时并未将旧根失效，导致了攻击可以构造任意消息对桥进行资金窃取。[2022/8/2 2:52:59]

所以，ZKSwap团队推出的Layer2扩容方案Zkspeed同样也属于上述范畴。然而，作为Layer2赛道上的一个新星，Zkspeed方案与其他主流产品推出的Layer2方案相比会有什么样的技术优势呢？产品体验又有何异同呢？接下来，我们将选取市场上具有代表性的几个产品，从技术方案和实际体验效果上做一些简单的对比分析，来看看Zkspeed扩容方案是否优胜同时产品体验是否更好。

Harvest.Finance被黑事件简析:10月26号，据慢雾区消息 Harvest Finance 项目遭受闪电贷攻击，损失超过 400 万美元。以下为慢雾安全团队对此事件的简要分析。

1. 攻击者通过 Tornado.cash 转入 20ETH 作为后续攻击手续费；

2. 攻击者通过 UniswapV2 闪电贷借出巨额 USDC 与 USDT；

3. 攻击者先通过 Curve 的 exchange_underlying 函数将 USDT 换成 USDC，此时 Curve yUSDC 池中的 investedUnderlyingBalance 将相对应的变小；

4. 随后攻击者通过 Harvest 的 deposit 将巨额 USDC 充值进 Vault 中，充值的同时 Harvest 的 Vault 将铸出 fUSDC，而铸出的数量计算方式如下：

amount.mul(totalSupply()).div(underlyingBalanceWithInvestment());

计算方式中的 underlyingBalanceWithInvestment 一部分取的是 Curve 中的 investedUnderlyingBalance 值，由于 Curve 中 investedUnderlyingBalance 的变化将导致 Vault 铸出更多的 fUSDC；

5. 之后再通过 Curve 把 USDC 换成 USDT 将失衡的价格拉回正常；

6. 最后只需要把 fUSDC 归还给 Vault 即可获得比充值时更多的 USDC；

7. 随后攻击者开始重复此过程持续获利；

其他攻击流程与上诉分析过程类似。参考交易哈希：0x35f8d2f572fceaac9288e5d462117850ef2694786992a8c3f6d02612277b0877。

此次攻击主要是 Harvest Finance 的 fToken(fUSDC、fUSDT...) 在铸币时采用的是 Curve y池中的报价(即使用 Curve 作为喂价来源)，导致攻击者可以通过巨额兑换操控预言机的价格来控制 Harvest Finance 中 fToken 的铸币数量，从而使攻击者有利可图。[2020/10/26]

Layer2技术对比分析

根据我们的市场调研，我们选取了三个市场上具有代表性和前沿性的的产品，分别是StarkWare的StarkNet、Uniswap的unipig、Loopring的loopring。首先，我们先从技术方案的角度，来看一下Zkspeed和starkNet、Unipig、Loopring的区别，具体的如下表所示：

表1.Layer2扩容方案分析表。图片说明：crs对应需要多次可信设置的zkp算法；srs对应只需要一次可信设置的zkp算法

根据上述表格可以看出：

Loopring

使用的Layer2扩容方案是基于ZKRollup方案设计的，同时也支持Validium方案，即链上数据可用性是可以选择的。该方案使用的零知识证明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信设置。

优点是：这种算法的proof大小是常量大小的；

缺点是：可信设置是不通用的，针对不同的交易类型，都需要单独进行可信设置。因此，为了提高证明傲率，每个区块里的交易类型要求为同一交易类型，导致了如果某种类型的交易较少，那它上链的速度就会很慢，因为要等待足够的交易才打包区块。不过，在Loopring发布的协议3.6版本里可以看到，已经取消了了区块里是相同类型的交易的限制，相信会有更好的交易体验。

StarkWare

StarkWare团队研发的Layer2扩容引擎starkEx，支持Validium方案和ZKRollup方案两种模式可选。状态更新的有效性由零知识证明来保证，其用到的零知识证明算法是zkstark算法。

优点是：与常用的zksnark算法不同，zkstark算法不需要第三方的可信设置，而且其算法本身不依赖数学难题假设，具有一定的抗量子性；

缺点是：proof的大小比其他的zkp算法要大的多，生成证明需要消耗大量的计算资源和存储空间。同时，StarkWare团队研发的Layer2扩容解决方案值得期待，一种以太坊上的基于STARK的去中心化无许可L2ZK-Rollup产品，并且支持基于Cairo语言的通用计算；具体内容可参考链接starkNet。

Uniswap

使用的Unipig扩容方案是基于OptimisticRollup设计的，如前图所示，改方案存在挑战期，即在挑战期间，用户可以提供欺诈证明来验证执行者的行为是否作恶。

优点是：该方案兼容EVM，并且交易数据存在链上，保证了安全性；

缺点是：由于存在潜在的欺诈性证明，链上事务处理的时机会延缓；挑战成本昂贵，导致挑战模式基本上算是形同虚设。

ZKSwap

推出的Zkspeed扩容方案兼顾了ZKRollup、Validium和OptimisticRollup方案的特点。即实现所有与Layer1交互的交易数据全部上链，把单纯Layer2的交易数据存放在链下(Validium)，交易hash数据上链，同时ZKSpeed也会提供一个完全上链的版本，这样可以实现更高的安全性，并提供零知识证明保证状态转换的有效性。

ZKSwap采用自己研发的Zkspeed与其他三个扩容方案的差异：

Zkspeed方案采用PLONK零知识证明算法，所有交易类型共用一套可信设置，如此就无需按照交易类型进行区块打包；

Zkspeed方案采用了GPU实现版的PLONK算法，相比于普通的CPU实现版本运行速度上提升了3倍以上，再加上顶尖的硬件设备，使得证明的生成时间大大缩短，大幅提高了系统的吞吐量；

ZKSwap团队经过反复研究论证，在Zkspeed方案上探索性的采用了聚合证明方案，并首先应用到AMM的DEX领域，把多个区块的证明聚合成一个证明，使得链上一次就可以完成多个区块的验证，大大的降低了交易的平均成本。

聚合证明的技术原理如下图所示：

图2.Aggregation方案

在Rollup方案里，一个很明显的技术特点就是交易的批量处理，即对区块里的所有交易的有效性产生一个证明，然后链上主合约完成证明的有效性验证。如图2左侧所示，这和原始的单个交易处理力度相比，已经有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而，ZKSwap团队发现，受限于零知识证明算法椭圆曲线参数的选取，一个区块内能批量处理的交易数量是有限的，再加上链上一次验证计算的成本高达50WGas，导致每笔交易的成本并没有低到预期。因此，ZKSwap技术团队持续进行技术应用创新的突破，并最终关注到了聚合证明方案。

如上图右侧所示，聚合证明的思想很简单，可简单表述为：把每个区块的proof当作输入，把链上验证的过程当作证明电路，证明链上的验证过程是正确的，由于验证的形式就是一个双线性配对，因此，多个proof可以进行线性组合，然后利用一次双线性配对完成所有proof的有效性验证。这样一来，多个证明的验证过程由多次变成1次，验证成本大幅降低，成本降低的幅度取决于区块聚合度，目前Zkspeed方案支持聚合上链的交易笔数可根据实际情况进行调配，20、10、5笔均支持。同时，为了探索进一步降低交易成本的可能性，ZKSwap团队追求精益求精，继续对上链数据进行聚合提交，即，多个区块一次提交，节省了一些固定成本，进一步压缩交易成本，最终实现一笔交易的成本消耗最低至1400Gas，远低于行业其他产品。

展望

遗憾的是，目前ZKSwap的方案还不兼容EVM，ZKSwap团队的愿景是构建一个支持通用EVM的Rollup扩容解决方案，使得其他应用无需重新编写智能合约就能实现快速迁移，目前ZKSwap团队已经投入研究，并取得了一些进展。除此之外，starkWare和MatterLabs分别开发了starkNet和zinc的Layer2扩容解决方案，需要用对应新设计的DSL语言来编写证明逻辑，虽然此方案不算完美，但也算是一个阶段性的研发成果。未来ZKSwap团队愿和其他团队一起，共同致力于以太坊的Layer2扩容建设。

撰文：江小白

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