以太坊網路作為區塊鏈世界里最活躍的開發平臺，日常的擁堵，越來越高的手續費，讓生態中的應用和用戶們都苦不堪言，最近以來，單筆轉賬的平均費用更是高達 24.7 美元。這種糟糕的體驗如果得不到改善，將對以太坊的發展將會造成不良的影響。
因此，近些年越來越多的區塊鏈研究者和開發人員致力于底層技術研究，想盡各種技術手段，來改善整個網路狀態。有針對 Layer-1 的技術方案，例如 ETH 2.0 的分片技術，通過修改或優化區塊鏈的共識網路，來提高網路的出塊效率，從而加快區塊確認時間，達到交易快速上鏈的目的；也有針對 Layer-2 的技術方案，在保持 Layer-1 功能足夠簡單且強大穩定的前提下，把一些原本在 Layer-1 上的一些計算和操作，放在鏈下去做，然后通過密碼學的技術來保證這些鏈下操作的準確性，
但從長遠角度來看，基于 Layer-2 的擴容技術方案將更適合區塊鏈的健康發展
因為區塊鏈的基礎架構已經比較清晰，穩定且易于維護，基于此強加復雜邏輯，就有可能使 Layer-1 變得越來越脆弱，所以，區塊鏈的結構發展方向應該是 Layer-1 盡量保持不動，除非有重大變故，比如密碼學技術的突破，導致底層使用的密碼學原語的修改，其他的復雜邏輯及創新應用放在 Layer-2 去做，Layer-1 和 Layer-2 相輔相成。
研究者也逐漸發現了這一點，因此，基于 Layer-2 的擴容技術方案層出不窮，然而，理想很豐滿，現實很骨感。當理論需要實踐的時候，開發人員才發現要想達到預期，有太多的地方需要權衡利弊，對于不同的應用場景，可能也要做出不同的妥協，
迄今為止，Layer-2 擴容方案里，被討論的最多的有 zkRollup、Optimistic Rollup、Validium 和 Plasma。在此借用 StarkWare 里 Avihu Levy 的一張圖來區分它們：
（4種以太坊擴容方案對比）
這四個方案的特點如下：
zkRollup：由以太坊的研究員提出，特點是所有計算過程由鏈下計算，鏈上存儲，參與計算的明文數據通過 calldata 的形式發送到鏈上合約，降低存儲成本，同時，鏈下計算的正確性由零知識證明算法保證；由此也能看出，此方案確實能大幅提高 TPS，也能降低單次交易的費用，
Optimistic Rollup： 從圖上可以看出，Optimistic Rollup 和 zkRollup 位于同一行，也就說明它們的共同點是：明文數據通過 calldata 的形式發送到鏈上合約；不同之處是 Optimistic Rollup 采用交互式錯誤證明來確保鏈下計算的準確性，如果被識別出故意作惡，那將會收到懲罰；相比于 zkRollup，Optimistic Rollup 的安全性假設弱一些。
Validium： 此方案由 StarkWare 提出，獲得 V 神的認可，得此命名，特點是計算過程在鏈下完成，由零知識證明算法保證計算的正確性，鏈上完成驗證并存儲最終得世界狀態；還有一點需要注意得是，為了獲得更好的可擴展性，此方案把交易數據也存儲在鏈下，同時由可信的“數據可用性”委員會提供數據可用性的證明，相比前兩個方案，這個方案損失了一定的數據可用性，但是確實提供了更好的數據可擴展性；因此，在實際的應用場景中，此方案可能會得到更多的青睞。
Plasma： 由 V 神提出，相比于其他三個方案，這個方案被提出的時間最早，方案特點比較顯著，鏈下計算，鏈上存儲，交易數據也存到鏈下，簡單粗暴，用戶可以發起錯誤型證明來證明執行者的作惡行為，由此獲得獎勵，懲罰作惡的執行者。
雖然現在已經有了以上方案，但由于還沒有真正在 Layer-2 上跑起來的應用，所以孰優孰劣也很難下定論，目前在以太坊上最活躍的應用概念是 Defi，其中又以 DEX 占用的網路資源最多，Layer-2 的提出將明顯給 DEX 發展帶來更大空間，下面可以從一個具體案例來看Layer-2 的落地。
目前市場上很熱的 ZKSwap 算是探索者之一，ZKSwap 提出的 Layer-2 擴容方案叫 ZKSpeed (A Pratical and Scalable Zk-rollup Solution 一個實用并且可拓展的zk-rollup 協議)。
下面通過一張圖來展示 ZKSwap 設計的方案和上述方案的關系：
從圖上可以看到，ZKSwap 的第一版擴容方案 ZKSpeed 基礎架構結合了ZK-rollup和 Validium 和 Plasma 方案特點，在此基礎上又通過聚合證明、GPU 優化、證明電路優化三個方案，大幅提升了整個網路的吞吐能力。
在做詳細介紹之前，需要說明一下為何采用了交易數據鏈下存儲的方案。事實上，ZKSwap 的初衷是完全按照 zkRollup 的方案來實現，因此它不僅能提降低交易成本，同時也保證了鏈上數據可用性，有了這個，用戶隨時可以提供默克爾樹的有效性證明，從鏈上提取屬于自己的錢。遺憾的是，經過真實的測試，在這種方案下，上鏈的成本仍然很昂貴，每一筆layer2交易的Gas Limit 為 6000 左右, 作為對比Layer1 上面以太坊的Gas Limit 為21000,普通ERC20的轉賬交易的Gas Limit 為50000 左右，這離 Layer-2 的擴容目標高吞吐，低 Gas 相差甚遠；具有很快的上鏈速度，但是交易成本很高，相信也會降低用戶主動做交易的意愿；因此，如果Layer2 的平均每一筆交易成本太高，Layer2 主打的高TPS也很難實現，因此，要想把 Layer-2 的擴容方案用于真實場景，首先需要Layer2 資金的絕對安全性; 第二需要Layer2 的TPS 夠快 （ZKSwap Layer2的TPS 在100以上，并可以繼續提升）第三 需要Layer2的每一筆交易的Gas 成本只有主網交易成本的5%， 或者2% 。
ZKSpeed 方案中，對鏈下數據處理分為2部分，所有和Layer1 交易相關的數據都會實時上鏈，保證資金的覺得安全性，并實時生成零知識證明和驗證證明，但是對于僅僅和Layer2相關的交易采用分布式存儲的方案，實時披露原始交易數據，并把數據摘要實時上鏈，目前數據摘要由Layer2 運營方自己發布，并且任何人可以實時驗證該摘要的準確性，長期來看，數據摘要的計算和發布可以通過分布式的形式進行，并引入社區驗證。ZKSpeed 方案對鏈下數據進行了分類，大幅度提高了數據的可拓展性，關于數據可用性這個方面，ZKSpeed 方案的可拓展性長期來看優于所有交易都上鏈的 Optimistic Rollup 方案，長期來看，受制于以太坊的layer1 的每個Block Gas Limit 的限制，如果所有數據都上鏈存儲，那么在Layer2系統的可拓展性方面存在明顯的天花板，考慮到巨大的上鏈Gas 成本，這樣的Layer2系統在實際應用中，其TPS 很難到20以上，其實用性會大大降低。
ZKSpeed 擴容協議通過對鏈下數據進行分類，實現了數據可用性和數據可拓展性的權衡。數據可用性的問題得到解決，那么下一步的目標就是提高零知識證明系統的可用性和處理速度。ZKSpeed 方案基于零知識證明算法，保證一個區塊內的所有交易導致的世界狀態的變化是正確的，多筆交易一次性處理，實現系統性能的第一次提升，帶來了較高的TPS。但是，這種解決方案帶來的提升效果只能說是勉強可以接受，ZKSwap 團隊不滿于此，堅持尋找新的技術方案來實現更高的系統容量和更低的交易成本；經過不屑努力，終于找到了一個新的解決方案，即聚合證明 (Aggregative Proof)，
Aggregative Proof 聚合證明
聚合證明的邏輯其實很簡單，大家知道，基礎的 Layer-2 擴容方案里，一個區塊對應一個有效性的證明，鏈上合約驗證證明的有效性。現在以太坊的出塊平均速度是 15s 一個區塊，如果鏈上一次能驗證多個區塊的有效性，那么平攤在每個交易上的成本將大幅減少。基于這個思考，ZKSwap 采用了一種聚合證明方案，所謂的聚合證明方案就是，現在是一個區塊一個證明，把一段時間內，或者是固定數量的區塊產生的多個證明，再用零知識證明的方式去證明這些區塊的證明是有效的（把驗證的過程再當作是一種電路），這樣鏈上只需要一次驗證，就可以實現多個區塊證明的有效性驗證。
經過實際測試，ZKSwap 在采用了聚合證明方案后，單筆交易的費用降低到了 1000 （Gas Limit），該成本是以太坊主網ERC20 轉賬成本的1/50 (以太坊主網轉賬的Gas Limit 大概是50000 左右)，這個結果足夠讓人驚喜。試想一下，如果能在主網的出塊時間間隔內，能生成更多的零知識證明，那么整個系統的 TPS 將會得到大幅改善，為此，ZKSwap 同樣做出了大量的努力，實現了 GPU 版的 PLONK 算法，相比于 CPU 版本的 PLONK 算法，計算速度提升 3 倍有余，同時，ZKSwap 通過大規模高性能機器，專門用于零知識證明的生成，對于規模為 2^28 次冪的超大型電路，生成一個證明不到 2 分鐘，但同時，受算法采用的橢圓曲線參數限制，每個區塊里可證明的最多交易數量和可證明的證明數量存在上限，導致系統的的性能上限收到了限制。雖然有此約束，但ZKSwap最終的實測 TPS 仍然遠超過了現有的其他產品，目前在最新的壓力測試中，采用ZKSpeed 方案的 ZKSwap項目的TPS 可以到 100以上。
ZKSpeed 已經把目光放在了不需要可信設置的遞歸 SNARK 上，相比于聚合證明，遞歸 SNARK 將不需要可信設置，并且一次性可驗證的區塊數量將不受限制，僅取決于出塊的速度和生成證明的速度，
系統實測結果
以下列舉出幾個常用的交易類型對應的費用，詳細見表格：
由于 Deposit 和 Withdraw 操作涉及到與 Layer-1 的交互，因此交易成本相對于 Layer2 轉賬和 Swap交易操作較多。不過，無論是哪一種交易類型，其每筆交易的成本已經領先于行業內的其他產品，基于ZKSpeed 方案的ZKSwap 已經實現了 資金安全性和高TPS 以及 低Gas 成本的 全面權衡，并且具備很大的實用價值，在Layer2 的實際應用中，具備很大的技術優勢。
展望
ZKSpeed Layer2 擴容方案是一個兼具實用和工程優化的 zk-rollup 方案，通過 零知識證明的聚合證明，Plonk 算法的并行處理，以及對鏈下數據的分類處理，大大提高了Layer2 系統的TPS, 并大幅降低了 Layer2 交易的Gas 成本。相比其他的Layer2 方案（zk-Sync , optimistic rollup以及Plasma ），ZKSpeed 方案在實用性方面取得了更大的突破，并將率先支持DeFi 的應用在Layer2 大規模部署，關于ZKSpeed 的方案細節，敬請關注即將發布的技術白皮書和系統示例（zkspeed.org）
