通常来说，实现网络安全和去中心化的同时，提高可扩展性是不可能的。这一挑战被称为三重困境，已被证明是区块链架构中最难解决的问题之一。要知道网络的去中心化和安全与分布式账本的节点数量有关——节点越多，区块链越去中心化和安全——但牺牲了可扩展性，即区块链每秒能处理的交易数量。在繁忙期间，由于每个节点都要验证交易，因此可扩展性会受到影响。

在过渡到权益证明之前，以太坊网络平均处理15-45笔交易每秒（TPS），坦率来讲，尚不足以为大多数以太坊用户创造良好的体验，他们有时面临网络拥堵、高费用和长时间等待。这些问题的解决方案是进一步增强网络可扩展性。

我们认为，ZK-Rollup可以通过提高可扩展性为区块链技术，尤其是以太坊带来重大进步。这可以提供更好的用户体验，并增加该领域的兴趣，从而进一步令新项目吸引新的用户和支持者。这种指数级的正反馈循环可能是下一次加密牛市的核心。

区块链网络如何扩展

通常来说，可以通过网络层面或通过二层扩展解决方案来扩展区块链。

对于网络层面的扩展，这些解决方案可以从增加块大小（如比特币）到以太坊广受关注的分片，后者允许并行和同时处理大量交易。这些解决方案可能是有效的，但不容易实现。

第二种，更简单的扩展区块链的方法是采用各种扩展解决方案。这些方案可以从创建侧链（如Polygon）到Plasma链（慢慢失去市场），再到State Channels（几乎就像一个托管解决方案），以及Lightning Network所采用的方案。

但最有前途的扩展解决方案可能是Rollups，特别是Optimistic Rollups和ZK-Rollups，这些解决方案是将二层交易打包并发送到以太坊主网的解决方案。

和Optimistic Rollup一样，ZK Rollup提供了一种可行的方案来解决传统L1面临的可扩展性挑战。通过将大量交易离线打包处理并使用零知识证明在主链上处理，它们提供了更高的吞吐量和更低的交易费用，而无需像Optimistic Rollup一样面临长时间的挑战期限。相比OP系Rollup动辄7天的提现等待期，ZK系Rollup可以实现半小时内完成安全的提现。

ZK-Rollup的工作原理

ZK-Rollup是一种基于以太坊的Layer 2协议，可以实现高效率、低成本的交易。

在ZK-Rollup中，智能合约状态机被称为智能合约，是一种自我执行的编程合约。当我们需要更新Layer 1的状态时，ZK-Rollup节点会向以太坊提交一个有效性证明，并显示交易的最终状态。这是因为EVM是确定性的，意味着我们可以确定执行智能合约的最终结果。

因此，ZK-Rollup相比于Optimistic Rollup具有效率优势，因为它们只需要将有效性证明提交到Layer 1。相比之下，optimistic rollup需要将所有交易数据提交到Layer 1，并等待网络进行“挑战”，这需要更长的时间（平均为7天）。

对于L2到L1的通信，ZK-Rollup协议的速度会更快，因为它们只需要证明一批交易的有效性，而不需要等待其他人验证这些交易。这样可以获得更高效和更有效的协议，主要体现在以下方面：

• 更好的可扩展性和更高效率

可扩展性是实现ZK-Rollup的关键动机。以太坊和其他区块链的性能问题在于带宽不足，无法支持如此多的用户和交易，使得处理过程非常低效。ZK-rollup技术可以改善这一点。

• 更好的安全性

有效性证明充当了一种过滤器，严格将给定批次中的有效交易推送出来。这使我们能够在数学上证明它们的正确性，而不是概率性的、可变的置信度。

• 更低的交易成本

在链下处理交易和计算，只需向Layer 1提交摘要数据和有效性证明，使交易和计算成本更低。这为更多的用户和应用程序打开了大门，最终加速了向Web3的转变。

ZK-Rollup竞争激烈

如今，Optimistic Rollup和ZK Rollup是最受欢迎的两种Rollup。虽然Optimistic Rollup以速度、良好的兼容性著称，但在提款方面存在一些限制。相比之下，ZK Rollup具有卓越的速度和安全性，成为区块链平台的理想解决方案。

但是，这些解决方案也存在一些缺点，例如它们是通过智能合约实现的，可能存在漏洞，由于Rollup在以太坊主网上的相对新颖，因此需要考虑这些缺点。此外，这些解决方案倾向于变得中心化，因为排序器技术上可以屏蔽或重新排列交易。

理解这些优缺点可以帮助我们获得更客观的视角，支持分析和评估这些项目的潜力，并寻找良好的投资机会。在我看来，我们可以根据两个因素对Zk Rollup项目进行分类：

1.数据存储方式（链上或链下）。

2.使用的零知识证明方案。

选择链上或链下存储数据（也称为Validium）都有其自身的优劣。在所有情况下没有最佳选择；这是一个权衡去中心化和处理速度、运营成本的过程，取决于项目的发展方向，他们将提供适当的选择。

第二点需要注意的是使用零知识证明技术，类似于前面的情况，在每种情况下没有最佳解决方案，它是证明大小和安全性假设之间的平衡。

市场上的Zk Rollup项目

StarkEX

Starkware（也称为Starkware Industries）是由STARK和ZCash的联合创始人Eli Ben Sasson于2018年1月创立的公司。StarkWare通过使用STARK技术来实现和验证零知识证明，提高区块链的可扩展性和隐私。

StarkWare的第一个产品StarkEX可以看作是一个特定的L2，应用仅限于简单的交易和支付交易，例如AMM、现货交易、支付、NFT铸造和交易。StarkEX允许Dapps以三种模式部署：

1. ZK Rollup模式：数据存储在链上。
2. Validium模式：数据存储在链外。
3. Volition模式：结合两者。

StarkEX和StarkNET有自己的编程语言和虚拟机用于执行，不与以太坊的EVM兼容。因此，未来想在StarkNET上构建Dapps的开发人员将需要学习一种名为Cairo的新编程语言，这是StarkEX和StarkNET的本机智能合约语言。

zkSync

除了Starkware，Matter Labs也是一家同样著名的公司。Matter Labs提供的Zk Rollup产品使用PLONK实现和验证零知识证明。

第一版称为zkSync（v1），第二版称为ZkPorter（v2）。它们之间的主要区别在于数据存储是在链上还是在链下。两个版本的共同目的仅是为支付交易服务，不如StarkEX那么多样化。

目前在使用的zkSync Era主网，TLV涨势很快。根据DeFiLlama显示，目前的TVL已经攀升到1.1亿美金规模，有超过20个项目完成了部署。

ZkEVM是由Matter Labs开发的。与此同时，Matter Labs也在推出与EVM兼容的Zk Rollup版本（ZkEVM）。该版本的本机智能合约语言是Zinc，并且它也有自己的虚拟机用于执行，具有与EVM高度兼容的特点。

Loopring

Loopring是于2019年底推出的，使用了一组名为SNARK的算法来实现和验证零知识证明。Loopring经历了多次升级，第一个版本仅支持DEX（订单簿）交易，第二个版本增加了对支付和转账的支持，第三个版本增加了对AMM Swap的支持，第四个版本于2021年9月推出，增加了对NFT的挖矿、转移和交易支持。与此同时，Loopring也正在推出与EVM兼容的Zk Rollup版本（ZkEVM）。

当然，相比一个网络，它更像一个应用。这是社区目前对于Loopring的固有印象。

这些领先的Rollup创新团队正在竞相确立其ZK Rollup解决方案的领先地位，这种竞争将很可能推动该领域的进一步发展。

以太坊扩展和ZK技术的未来

ZK技术是以太坊的未来。在18至24个月内，大多数大型Web3应用将建立在零知识证明的二层链上。然而，ZK Rollup也存在一些问题，例如需要高水平的开发、部署和审计技术。由于ZK技术专家较少，例如审计桥接等过程变得更加困难。

使用ZK证明进行验证的过程计算量较大，因此一些初创公司已经开发了专门的技术，如FGPA和ASIC，以进一步加快ZK证明的生成速度。因此，ZK技术可能需要数年时间才能真正成熟。

第三个问题是交易费用的问题。大多数Rollup平台的交易费用比Ethereum的EVM侧链更高。这是因为每个最终的Rollup块都必须发布到以太坊，将其费用与以太坊的费用联系起来（Zk Rollup通过只发布证明来节省费用）。因此，每个Rollup平台只能将以太坊扩展到一定程度。

此外，之前Ebunker联合创始人Todd Ma曾提到，相比于OP系，ZK系想保持EVM兼容非常困难。每当主网的EVM更新时，OP系可以以很小的工作量完成同步更新，继续保持100%EVM兼容，而ZK系需要繁琐的重新电路设计和代码开发，这给研发ZK系L2的团队带来了不小的压力，而且无法实现一劳永逸。

Zk Rollup的发展方向

对于Zk Rollup的发展方向，从长远来看，任何一个L1能做的事情，Zk Rollup都能更好地做到。基于这种思路，我认为想要成为终极赢家的Zk Rollup解决方案必须保持L1的所有先进特征，例如以太坊这个L1的通用智能合约平台、无需许可的安全性以及更低的成本。

因此，我认为StarkNET和ZkEVM是有前途的方案。如果ZkEVM能在以太坊L1上保持类似的开发体验，那么它将具有重大优势。对于ZkEVM，目前的设计思路实际上可以分为两种类型：

• 一种是拥有自己的语言和虚拟机的Zk Rollup平台，例如Starkware的StarkNET、Matter Labs的ZkEVM、Polygon的Polygon ZkEVM，这些平台会使用编译器将其本机语言转换为可在ZkEVM虚拟机上执行的语言。这种解决方案有着不兼容的局限性。
• 另一种是与ZkEVM完全兼容，无需进行任何翻译，可以直接执行solidity代码。这种解决方案更为优化，但也更难实现。

总体而言，我非常期待ZK Rollup和Optimistic Rollup将领导区块链进入一个新的时代。新的创新将不再基于L1设计，而是在L2和L3上进行，从关联的L1中获取安全性，同时实现在传统L1上不可能实现的可扩展性。

市场上有足够的空间支持广泛的L2 Rollup解决方案，以最优化的方式迭代区块链，实现真正去中心化、可扩展和安全的区块链。我们期待看到更多优秀的项目和技术不断涌现，推动整个区块链技术的进一步发展。