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：
- 数据存储方式（链上或链下）。
- 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：
- ZK Rollup 模式：数据存储在链上。
- Validium 模式：数据存储在链外。
- 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。
（声明：请读者严格遵守所在地法律法规，本文不代表任何投资建议）
