一文读懂 Layer2 方案 zkSync 基本原理

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活动预告

imToken 邀请到了 zkSync 创始人 Alex 和链闻研究总监潘致雄，明晚 19:30 和大家一起聊聊 Layer2，扫描文末二维码参加活动。

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以太坊的理想之一是普惠金融，但由于现在几乎所有的交易都在 Layer1 处理，导致网络严重拥堵，矿工费居高不下，不少用户因此被拦在门外。

所以社区希望借助 Layer2 降低矿工费，吸引更多用户参与进来。在《给区块链扩容难吗？从比特币到以太坊》中，我们介绍了 Layer2 中被以太坊创始人 Vitalik 看好的 zkRollup 方案。

从中长期来看，随着 ZK-SNARK 技术的改进，ZK Rollup 最终将在所有场景中胜出。- Vitalik Buterin

imToken 2.9.0 已经深度集成了 zkSync 方案，今天这篇文章我们就来具体介绍下 zkSync 的原理和架构，下文将把 Layer1 和 Layer2 简写为 L1 和 L2。

zkSync 概览

zkSync 是基于 ZK Rollup 架构的低成本扩容协议，主要通过零知识证明和数据可用性保障用户资产安全，该项目目前的产品路线图规划如下：

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zkSync 正处于第一阶段：支付场景，如其 Slogan 所述：

zkSync: secure, scalable crypto payments
zkSync：安全可拓展的加密资产支付方案

工作原理

  1. 用户签署交易并提交给验证人；
  2. 验证人将数千笔交易 Rollup 到一个区块中，并向主网的智能合约提交新状态的默克尔根和加密证明（SNARK），证明新状态是基于旧状态的正确更新；
  3. 除了证明以外，每笔交易的数据都会使用廉价的 Calldata 在主网发布，以便任何人在任何时刻都可以重建状态；
  4. 证明和状态均由智能合约验证，从而验证区块中所有交易的有效性和区块数据的可用性。

特点

  • 支持 ETH 和 ERC20 转账，L2 毫秒级确认，L1 10 分钟内获得最终确认；
  • 主网级别的安全性，毋需依赖第三方；
  • 零成本创建账户；
  • 极低的交易手续费（低至 $0.001)；
  • 支持任意有效的以太坊地址（包括智能合约地址）；
  • 支持任意代币作为手续费支付；
  • 15 分钟以内将资金从 L2 提现到 L1（OP Rollup 至少要 1～2 周）；
  • 支持多重签名；
  • 支持智能合约（即将到来）。

优势

  • 验证人不可能破坏状态和窃取资金；
  • 验证人即使停止工作，用户也可以借助数据可用性随时取回资金；
  • 用户不必时刻监控 Layer2 网络以防欺诈。

zkSync 架构

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#### 架构说明
  • 主要架构分为链上和链下，也就是所谓的 L1 和 L2；
  • L1 的核心为智能合约，主要负责存款、提款、交易验证；
  • L2 分为 L1 交互（Watcher、Sender）、L2 状态维护（Mempool、Block Proposer、State Keeper、Block Commiter）、零知识证明系统。

zkSync 架构运作模式

  1. 存款
  • 当用户想要存款时，调用 L1 zkSync 智能合约存储资金；
  • Watcher 监控 L1 存款交易，当交易发生时则会放入 Mempool 中；
  • Block Proposer 处理 Mempool 交易打包，并提交 State Keeper 更新账本。
  1. 转账
  • 当用户想要使用 L2 低成本快速转账时，调用 zkSync API 提交转账交易；
  • 交易同样会按照流程流转至 Mempool > Block Proposer > State Keeper；
  • 最终 State Keeper 通知 Block Commiter 收集生成零知识证明所需信息，调用 Plonk Proving System 生成零知识证明后，借助 Sender 将存款和转账等交易数据，以及将对应的零知识证明提交到 L1 的 zkSync 智能合约验证；
  • 等待 L1 交易确认后，Watcher 会通知 L2 更新交易状态为最终确认。

1 - 存款

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  1. L1
  • 用户从 L1 调用 zkSync 合约充值 ETH / ERC20 资产；
  • 用户可以设定充值地址和资产；
  • 非代币白名单内的资产，可能会出现合约 Revert。
  1. L2
  • 等待主网 10 个区块确认后，zkSync 会将资产入账；
  • 如果充值地址此前未创建，那么将会自动为该地址创建账户。

2 - Signer

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  1. 创建 zkSync 账户
  • 场景：L1 存款或者 L2 转账都会自动创建账户；

注：zkSync 的创建账户类似 EOS/Cosmos，账户会有唯一 ID 维护 ETH 地址、zkSync Signer 公钥、Nonce、Balance 等关系。

  1. 生成 zkSync Signer

  • 场景：每次调用 Transfer / Withdraw 时派生 Signer 用于授权交易；

  • 步骤

    1. ETH 钱包进行 personalSign 签名
    2. 使用「personalSign 签名」作为种子生成 zkSync Signer
  1. 设置签名公钥

  • 场景：每次 Transfer / Withdraw 检查是否设置公钥，如果没有设置则提示用户生成 zkSync Signer 完成签名公钥设置；

  • 步骤

    1. 生成：调用 PersonalSign 生成 zkSync Signer
    2. 检查：每次 Transfer / Withdraw 检查是否设置公钥，若有则进入步骤 iv
    3. 设置：调用 zkSync SDK - setSigningKey 设置 Signer 公钥
    4. Next：继续 Transfer / Withdraw

  • 说明：

    1. zkSync Signer 专用于 L2 交易签名，但收款地址依然采用以太坊地址，底层签名则是采用 zkSync Signer；
    2. 用户除了首次设置公钥之外，其余场景均对 Signer 没有感知。

3 - 转账

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转账机制基本跟以太坊一样，以下罗列部分特点：

  1. 收款地址
  • 任意有效以太坊地址皆可转账
  • 但转给不存在的账户需要更多的手续费用于创建账户
  1. 代币
  1. 手续费

  • 支持任意代币支付手续费，比如 Dai

  • 手续费计价：

    1. 链上（gas 费）
    1. 验证 SNARK (~1.5k gas) + 交易状态 (~0.4k gas)
    1. 链下（存储和证明费）
    1. ~ 0.001 USD/笔
  1. 交易状态

  • Committed

    1. 时间：秒级；
    2. L2 交易发送成功的状态，交易区块虽然还没有获得 L1 最终确认，但不影响用户继续发起下一笔交易。

  • Verified

    1. 时间：～10 分钟
    2. 当交易区块 SNARK 证明被 L1 智能合约验证，L2 交易即获得最终性。

4 - 提款

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目前 zkSync 有 3 种提款至以太坊 L1 钱包的方式：

  1. Withdraw
  • 类型：L2 交易；
  • 时间：～10 分钟 / ～ 4 小时（由用户选择的挡速决定）；
  • 场景：当你拥有账户的 Signer 密钥即可使用。
  1. ForcedExit
  • 类型：L2 交易；
  • 时间：不确定；
  • 场景：当将资金转入智能合约 / 交易所等特殊地址（无法拥有对应私钥），为了解决无主账户（无法设置 Signer）的问题，zkSync 提供一份人工表单登记处理，帮助用户提现资产。
  1. FullExit
  • 类型：L1 交易；
  • 时间：1 周；
  • 场景：当遭遇 zkSync 网络不可信，验证人不作为等情况，用户可以选择向 L1 智能合约提交退出证明，将资金提款至 L1。

如何体验 zkSync 呢？

imToken 2.9.0 已经深度集成了 zkSync，如果你想上手体验 zkSync 的完整流程，可以点击视频查看。

-活动报名-

明晚 19:30，我们邀请到 zkSync 创始人 Alex 和链闻研究总监潘致雄，和大家聊聊 Layer2 能否解决以太坊拥堵问题？zkSync 是 Layer2 腾飞的引爆点吗？zkSync 会如何考虑 Native Token 机制和发放计划？扫描海报二维码即可报名参加活动。

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