L2 扩展的突破将如何带来 20000+ TPS？

zkPorter：L2 扩展的突破将如何带来 20000+ TPS？

编者按：zkSync 是 Matter Labs 团队开发的基于 zkRollup 技术的以太坊 Layer2 解决方案，目前 GitCoin、imToken、Argent 等平台已经支持 zkSync 方案，提供了绕过 Layer1 的 Layer2 直接支付体验。但 Matter Labs 团队认为，仅靠 Rollups (无论是 Optimistic Rollups 还是 ZK-Rollups) 来扩展以太坊是远远不够的，因为 Rollups 依赖的链上数据可用性带来了固有限制，使得 Rollups 难以满足未来数以百万计的新主流用户的需求。为此，Matter Labs 团队公布了其雄心勃勃的 zkSync 2.0 路线图，zkSync2.0 将引入一个全新的整体架构，提供 zkRollup 和 zkPorter 两种账户的混合体验 (用户可以在这两种账户中自由选择，且二者是完全可互操作的)。本文中，Matter Labs 团队将介绍 zkPorter 将如何实现 20000+ TPS。

以下是正文：

向 Layer2 的大规模迁移即将发生。随着诸多应用协议从以太坊基础层 (Layer1) 转移到 Optimistic Rollups 和兼容于 EVM (以太坊虚拟机) 的 ZK-Rollups [1]，许多人希望我们最终将能使链上交易费可控。但每个致力于扩展以太坊的人都知道这个行业的一个肮脏秘密：即使有了 Rollups，我们最终可能也会回到我们开始的地方。这是因为，交易吞吐量的任何实际增长都将很快会被诱导需求所吞噬。

Rollups 只能提供吞吐量的线性增长——所有数据仍然必须传播给所有全节点 (full nodes)。而要实现真正的可扩展性，我们需要吞吐量的指数级增长。

这就是为什么我们认为这是一个非常重要的突破。我们设计了一个具有 20,000+ TPS 的系统，它提供了比 Optimistic Rollups 更多的安全性 (见下图)。更重要的是，它将在 6 个月后与 zkSync 2.0 一起上线主网。

为何光有 Rollups 还不够？

2020 年 10 月，Vitalik 宣布了一个以 Rollup 为中心的以太坊路线图[2]，并预测如果所有 Layer1 活动都转移至 Rollups，那么以太坊将可能实现大约 3000 的净 TPS。这很快就会成为现实了：Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 现在都支持 EVM 兼容性[3]，它们正在推动应用从 Layer1 向 Layer2 的快速简单迁移。

以太坊正在以爆炸式、指数级的速度增长。在过去一年的时间里，DeFi 用户数量从 15 万增加到超过 180 万，但是 Gas 费用的增长速度快了 16 倍 (每笔 Uniswap 交易由 0.20 美元至 36 美元)！见下图：

为何会这样？因为任何可扩展性的提升都将伴随着用户金融活动/交易的增长，并伴随着新用例的增加。我们不妨想想在过去一年里同时发生的事情：

DEX 月交易量：从 17.2 亿美元增长到了 670 亿美元；
DEFi 总锁仓量：从 7 亿美元增长到了 800 亿美元 (涨幅达到11000%！)
在1个月内，NFT 交易平台 OpenSea 的销售额从 500 万美元增长到了 1 亿美元。

与以太坊主网相比，Optimistic Rollups 只能提供大约 25 倍的可扩展性提升，而 ZK-Rollups 仅提供大约 100 倍的可扩展性提升。不知不觉中，我们又将会回到起点：大多数普通用户仍将负担不起 Gas 费用和使用以太坊。

加密货币即将成为主流。在这个拥有 38 亿部智能手机的世界里 (相比之下，Metamask 的月活跃用户为 300 万)，我们需要在可扩展性方面增加 1000 倍才能应对即将到来的用户量增长。这种可扩展性的缺口，正是激发了我们搭建 zkPorter。

zkPorter：推动加密货币大规模采用的引擎

在 zkSync 2.0 中，Layer2 状态将分为两部分：拥有链上数据可用性的 zkRollup 和拥有链下数据可用性的 zkPorter。

这两个部分都将是可组合和可互操作的：zkRollup 上的合约和账户将能够与 zkPorter 上的账户无缝交互，反之亦然。从用户的角度来看，唯一可察觉的区别是 zkPorter 账户的交易费将减少 100 倍。

想象一下：Uniswap 在 zkRollup 上部署了他们的智能合约，zkPorter 账户的用户可以只支付 <$0.03 的交易费就能进行代币兑换。为什么会这么便宜呢？这是因为，绝大部分的 Rollup 费用是由于在以太坊 (Layer 1) 上发布数据的成本；而 zkPorter 账户可以在该 Uniswap 合约上进行数千次币币兑换，但仅需向以太坊发布一次数据更新。

zkPorter 账户的数据可用性将由 zkSync Token 持有者 (即“守护者”，Guardians) 保护。这些“守护者”将通过签署区块来跟踪 zkPorter 上的状态，以确定 zkPorter 账户的数据可用性。守护者们通过质押 zkSync Token 来参与 PoS，因此任何数据可用性的失败都将导致他们的质押金被罚没。这为 zkPorter 上的数据可用性提供了加密经济保障。

需要注意的是，zkSync 中的 PoS 比侧链等其他系统中的 PoS 安全得多。这是因为，zkSync 的守护者本质上是无权的：守护者无法窃取资金。他们只能停止生产区块；而在这种情况下，用户仍然可以提取他们的资金。

每个用户都可以自由选择自己的安全阈值。任何想要获取以太坊链上所有可用数据的用户都可以完全停留在 Rollup 上面；但如果你是一个对交易费敏感的用户，你就可以选择在 zkPorter 上安家落户 (我们猜想，交易者和新用户最有可能使用 zkPorter)。这种链上/链下混合的数据解决方案称为 Volition [4]。

这将解锁那些原本在 Layer1 或者传统的 Rollups 上不经济的整个应用程序类别。现在这些应用进入以太坊中，并为以太坊用户服务。

zkPorter 对比 Optimistic Rollups

借助于密码学的零知识证明，这一切都是可能的。Optimistic Rollups 无法以 zkPorter 的方式实现这种扩展。如果在某条 Optimistic Rollup 链中，数据可用性被转移至链下，那么该 Rollup 链的恶意运营者将能够窃取在 Rollup 中的所有资金，而没有任何人能够向其发起挑战 (注：Optimistic Rollups 中使用欺诈证明 (fraud proofs) 来对潜在的欺诈行为发起挑战，而欺诈证明的校验依赖于以太坊 Layer1 链上的数据可用性)。

同时，zkPorter 有着比 Optimistic Rollups 更强的安全保障。为什么呢？我们来简要概述一下二者的潜在攻击的成本和收益。

1) 攻击成本

截至当前，通过协调 51% 的算力来攻击一条 Optimistic Rollup 链的成本不到 7000 万美元 (当以太坊2.0 PoS 到来时，这将不是什么大问题)；另一方面，如果攻击者想要使 zkPorter 中的数据不可用，那么攻击者将需要买入和累积相当于所有被质押的 Sync Token 的 2/3 的价值 (几乎可以肯定会超过 7000 万美元)。此外，由于该攻击者在大量买入这些 Token 的时候会引发重大的滑点 (且那些已经被质押的 Token 无法被购买)，因此实施这种攻击将比现货价格的成本要高得多。

2) Attack gains 攻击带来的收益

如果一条 Optimistic Rollup 被成功攻击了，攻击者可以盗取该 Rollup 中的所有资金。这大大增加了攻击者的攻击动机。而针对 zkPorter 的攻击无法直接盗取资金：如果攻击成功，攻击者只能停止区块生产，而不能盗取用户资金。这种想要从服务中断中获取盈利的难度，大大降低了此类攻击的动机。