什麼是 Zk-Rollups？Layer-2 擴容技術

重點整理ZK-rollups 是一種 Layer 2 擴容解決方案：它將大量交易在鏈下打包，並提交一份精簡的加密證明到以太坊主鏈。
它們使用零知識證明來確認交易是有效的，但不需要揭露每一筆交易的細節，因此能夠提供快速的最終性與強固的安全性。
相較於樂觀 rollups，ZK-rollups 不需要冗長的爭議期，這意味著資金可能更快提領。
以太坊於 2024 年 3 月推出 EIP-4844 升級，這項更新引入了一種稱為 blobs 的新型資料儲存格式，進而大幅降低了跨各 ZK-rollup 網路的交易成本。
ZK-rollups 的建置比樂觀 rollups 更複雜，但隨著 zkEVM 技術成熟，它們正變得更實用。
簡介像以太坊這樣的區塊鏈，每秒只能處理有限數量的交易。這種擴容挑戰會導致網路擁塞、確認時間變慢，並在需求增加時推高交易費用。解決這個問題是區塊鏈領域的重要目標之一。
主要有兩種做法：Layer 1 與 Layer 2 解決方案。Layer 1 方案會升級區塊鏈本身；Layer 2 方案則是在現有鏈之上建立一個獨立的框架，在結算到基礎層之前先於鏈下處理交易。ZK-rollups 是目前較具前景的 Layer 2 方案之一。
什麼是 ZK-Rollups？ZK-rollups 是一種 Layer 2 解決方案，它會將數百筆交易「打包（roll up）」成單一批次。這個批次會在主以太坊鏈之外處理，只有摘要以及一份加密證明會被提交到鏈上。這份證明能在不揭露每一筆交易完整細節的情況下，確認批次內所有交易都是有效的。
在 ZK-rollups 中的「ZK」代表零知識（zero-knowledge）。這指的是所使用的加密證明類型，稱為零知識證明。這些證明允許一方在不透露任何額外資訊的情況下，向另一方證明某項陳述為真。
因為 ZK-rollups 在提交到主鏈之前會使用這些證明來驗證每一筆交易，所以它們不需要挑戰期。這使得最終結算比樂觀 rollups 更快：樂觀 rollups 假設交易有效，並在事後才依靠欺詐挑戰來處理爭議。
什麼是零知識證明（Zero-Knowledge Proofs）？零知識證明（ZKPs）是一種加密技術，它讓證明者能說服驗證者某個陳述為真，而不需要分享任何額外資訊。要讓證明有效，必須滿足三個條件。
完備性（Completeness）：如果陳述為真，且雙方都誠實，證明一定能確認它為真。
健全性（Soundness）：不誠實的證明者不應能說服誠實的驗證者，讓其相信一個假的陳述為真。
零知識：驗證者只知道該陳述為真，而不會獲得底層資料的任何其他資訊。
在 ZK-rollups 中會使用 ZKPs 來證明一批交易已被正確處理。證明本身很精簡，而且能夠快速在鏈上驗證，這就是 ZK-rollups 高效率的原因。
ZK-Rollups 如何運作？ZK-rollups 主要包含兩個部分：主鏈上的智慧合約，以及鏈下的虛擬機（virtual machines）。主鏈上的合約負責儲存 rollup 區塊、處理存款，並驗證 rollup 提交的加密證明。鏈下的虛擬機則負責在以太坊之外完成所有交易執行。
當使用者向 ZK-rollup 提交交易時，網路操作員會將它們收集成一個批次。操作員在鏈下處理該批次並生成效度證明，證明所有交易都被正確執行。接著，這份證明會被送往以太坊主鏈進行驗證。
在以太坊上進行驗證速度很快，因為鏈只需要檢查證明，而不必重播每一筆交易。當獲得接受後，rollup 的新狀態會被記錄到以太坊上，從而賦予它與主鏈相同的安全保證。
EIP-4844 之後的 ZK-Rollups2024 年 3 月，以太坊啟用了 EIP-4844（也稱為 proto-danksharding）。這次升級引入了一種新的資料儲存類型，稱為 blobs，專門用於 rollup 資料。Blobs 的儲存成本比一般交易資料更低，並會在一段固定時間後自動從鏈上刪除。
對 ZK-rollups 的影響非常顯著。自 EIP-4844 之後，主要 ZK-rollup 網路的交易費大幅下降，有些情況甚至降幅超過 80%。這使得 ZK-rollup 網路更適合日常使用，包括先前不具成本效益的小額交易。
ZK-Rollups 的優點與缺點優點更快的最終性：使用效度（validity）證明立即完成交易驗證，無需等待處理爭議的時間。
強大的安全性：ZK-rollups 繼承以太坊的安全性，因為證明會在鏈上被驗證。除非提交有效證明，資金無法被轉移。
更高的吞吐量：透過在鏈下批次處理交易，ZK-rollups 能夠比基礎層每秒處理更多交易。
更低的費用：批次處理降低了單筆交易成本，特別是 EIP-4844 升級後降低了資料儲存成本。
限制複雜性：ZK-rollups 在技術上較難建置，需要專門的加密學知識。
EVM 相容性挑戰：並非所有 ZK-rollup 的實作都能完整支援以太坊虛擬機（EVM），這可能限制可在其上運行的應用類型。隨著 zkEVM 技術持續進步，這個問題正在改善。
中心化風險：許多 ZK-rollup 網路仍依賴單一操作者或排序器（sequencer）來批次打包交易，這可能成為一個中心化的節點。
ZK-Rollups vs. 樂觀（Optimistic）RollupsZK-rollups 的主要替代方案是樂觀 rollups。兩者都將交易在鏈下打包，但驗證方式不同。樂觀 rollups 預設假設所有交易都有效。它們會發布交易資料，並提供一段挑戰窗口（通常約七天）；在此期間，任何人都可以提交欺詐證明（fraud proof）來爭議一筆無效交易。
ZK-rollups 採取相反的做法。每個批次都包含一份效度證明，確認所有交易都被正確處理。因為沒有挑戰期，所以一旦證明獲得接受，資金就可能更快從 rollup 提回主鏈。
樂觀 rollups 通常更容易建置，也更廣泛被採用，但 ZK-rollups 在安全性與最終性方面具備優勢。隨著 zkEVM 技術成熟，ZK-rollups 正變得更適合用於一般用途的智慧合約執行。
ZK-Rollup 範例已有多個 ZK-rollup 網路在以太坊上推出。zkSync Era 於 2023 年 3 月向公眾開放，並引入原生 zkEVM，讓標準的以太坊智慧合約可以在 rollup 上運行。StarkNet 使用不同的證明系統，稱為 STARKs，並支援多種去中心化應用。Polygon zkEVM 於 2023 年推出，並設計為與現有以太坊工具相容。
在 BNB Chain 上，zkBNB 是一種為支援非同質化代幣（NFT）以及交易應用而打造的 ZK-rollup，它相較主鏈具有較低成本與更高吞吐量。
這些網路各自就證明生成速度、EVM 相容性與去中心化程度做出不同取捨。生態系仍持續發展，新的實作可能在成本與效能上帶來進一步改善。
常見問題（FAQ）ZK-rollups 與樂觀 rollups 的主要差異是什麼？ZK-rollups 會在提交到主鏈之前，先用加密證明來驗證每一筆交易。樂觀 rollups 則假設交易有效，只有在有人於挑戰窗口提出爭議時才會檢查。一般而言，ZK-rollups 提供更快的最終性，而樂觀 rollups 目前更容易實作。
ZK-rollups 使用起來是否安全？ZK-rollups 依賴在主鏈上驗證的數學證明，這提供了強大的安全模型。然而，多數現行的 ZK-rollup 網路仍依賴中心化的排序器（sequencer）來進行交易排序，而智慧合約的漏洞也可能帶來風險。就像任何處於積極開發中的技術一樣，使用特定網路前，使用者應自行做好研究。
EIP-4844 如何影響 ZK-rollup 的費用？EIP-4844 於 2024 年 3 月在以太坊啟用，引入了 blob 資料儲存，其成本比常規鏈上資料更低。由於 ZK-rollups 會將壓縮後的交易資料上傳到以太坊，因此能直接受惠於這項成本降低。許多 ZK-rollup 網路在升級後都看到了顯著的費用下降。
什麼是 zkEVM？zkEVM 是一種與以太坊虛擬機（Ethereum Virtual Machine, EVM）相容的 ZK-rollup。這表示開發者可以在不對程式碼做重大改動的情況下，把以太坊智慧合約部署到 rollup 上。不同專案會達成不同程度的 EVM 相容性，並在效能與證明生成速度之間做出取捨。
結語ZK-rollups 是目前最具技術挑戰性的區塊鏈擴容方案之一。透過使用零知識證明來驗證交易批次，它們能夠提供快速的最終性、強固的安全性，並且相較於直接在以太坊上交易，能夠實質降低費用。
自 2022 年以來，這項技術已大幅成熟。EIP-4844 顯著降低了資料成本，zkEVM 的實作也變得更成熟，目前已有多個 ZK-rollup 網路上線並累積了相當的使用活動。關於去中心化與完整 EVM 相容性仍存在挑戰，但開發仍在持續進行。
如果你想了解以太坊擴容如何運作，理解 ZK-rollups 能提供有用的背景，幫助你掌握整個生態系可能朝哪些方向前進。
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