DAPP:ZK 跨链通信协议：安全低成本构建全链 DApp 的未来

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时间：1900/1/1 0:00:00

作者：Yiping,IOSGVentures

ZK为跨链通信提供了一种

安全，低成本的方式

跨链通信协议仍处于早期阶段，但有望允许DApp访问不同链上的数据

DeFi，全链DApp将从跨链DApp的发展中受益

跨链DApp的影响预计在未来几年内会非常大，就像全球化的影响一样。

开发人员正在努力探索构建跨链DApp的最佳模式

延迟，安全和成本是ZK跨链信息协议的主要指标

ZK跨链协议四个主要的组件是：生成存储证明，结合存储证明和ZKP，中继ZKP，展开承诺

文末还提供了由本文训练的

，你可以提出与本文有关的任何问题。

前言

以前只有以太坊和比特币。他们拥有最多的流动性，最多的用户，最多的应用和最多的交易。2020年后，出现了许多新的区块链，如Avalanche，Polygon和BSC。

在这些链的主网推出后，我们看到了从以太坊和比特币到ALTChain的范式转变。用户从以太坊转移到ALTChain来寻找新的机会。开发者从以太坊转移到ALTChain来分叉现有项目。这些开发者为寻求高回报的用户创造了新的机会。

以太坊曾经拥有加密货币世界中除比特币之外的所有流动性。在2020年底，以太坊TVL占比急剧下降到60%左右。以下是165个链的TVL数据。

今天，各大链TVL饼图看起来是这样的。以太坊占据了大部分的流动性。Tron和BSC占据第二和第三的位置。

在将资产和流动性分散到不同的链上后，用户开始考虑如何在不同的链上管理和移动资产。资产发行者也考虑如何通过扩展到不同的链来扩展他们的用户。

跨链资产桥在2022年开始流行。用户不再使用CEX作为跨链桥，而是尝试转向去中心化的跨链桥。资产跨链桥有时会卡住，并容易受到攻击，但它更容易使用和用来转移大量资金。

然而，

资产跨链桥还处于早期阶段，并且不能满足DApp开发者的需求。资产跨链桥只能让相同的资产在不同的网络之间流动。这对于开发者来说用处过于局限。开发者正在寻找一种更加通用的跨链方式。

跨链通信拥有强大的自定义性。开发者完全可以基于跨链通信开发全链DApp。DApp构建者希望在不同链之间传递消息并获取必要的区块信息。有了这些的特性，全链DApp的构建范式从互不通信，转向分布式的设计。在互不通信，相互独立的模型中，不同链上的Dapp实例无法彼此共享数据。在分布式设计中，Dapp实例可以相互通信，并可以定期将数据同步到一个实例。该实例获取所有数据并可以修改其他实例上的参数。

ZK Rollup订单簿式DEX ZigZag将于6月24日开启ID0:6月21日消息，据官方消息，ZK Rollup订单簿式DEX ZigZag将于6月24日23时在自身DEX上开启ID0，第一轮公开发售将允许用户在早期阶段成为DAO的一部分，拥有对Token用例的投票权，同时决定空投的详细信息。

ZigZag总量共计1亿枚，本次ID0供应量为200万枚，仅支持USDC支付。目前，由于基础设施限制，ZigZag将仅在zkSync上提供现货交易。在zkSync2.0和StarkNet发布后，将引入杠杆交易和无需许可上市的永续合约。

金色财经此前报道，6月20日，ZK Rollup订单簿式DEX ZigZag疑似已在以太坊上部署Token ZZ的智能合约，总量1亿枚。[2022/6/21 4:41:02]

借助ZK驱动的跨链通信，因为ZKP可以提供简洁的证明，它可以消耗更少的存储，将源链状态中继到目标链。此外，在目标链上验证SNARK证明相对便宜。ZKP的这两个重要特性可以实现低成本的跨链消息和状态传递。在目标链上的验证源链状态可以实现IBC风格的跨链桥接。这大大增加了跨链的安全性。

当下

大多数区块链网络相互隔离，无法直接交换资产或代币。跨链资产桥允许用户在不同的区块链网络之间转移资产或代币。

随着Wormwhole、cbridge和Stargate等项目的推出，跨链资产桥的概念在过去几年开始受到关注。这些项目旨在创建可互操作的区块链桥，用户可以无缝地交换资产和代币。

跨链资产桥无法满足开发者的需求。开发人员正在寻找一种更通用的跨链方法，即跨链消息协议。

为了满足开发者的需求，这些跨链桥大多都有自己的跨链消息协议，例如CelerIM、LayerZero、Multichain的anyCall、Connext的xcall。他们提供了类似这样的API

跨链消息通信协议是基于其跨链资产协议实现的。通过一些修改，这些跨链资产协议现在可以在链之间传递消息。这使得他们很难为跨链消息协议实现定制功能，因为整体设计需要兼容跨链资产转移。它们缺乏构建跨链应用程序的一些关键功能，例如将消息从一条链广播到不同链上的所有其他部署合约。这使得开发人员很难构建实用的全链DApp。

StarkWare推出ZK Rollup扩容方案StarkNet Alpha2版本:金色财经报道，据官方消息，StarkWare推出ZK Rollup扩容方案StarkNet Alpha2版本。StarkWare发布了一个测试框架，开发人员现在可以在本地有效地测试他们的合约。新功能包括可组合性，支持智能合约之间的交互；本地测试框架，将允许开发人员通过在本地测试其StarkNet合约部署和交互来加快dApp开发，此版本仅包L2交互，下一版本将扩展功能和易用性；性能提升，改进了StarkNet的设计，支持更高的吞吐量和更短的验证生成时间，允许创建更大的区块，从而降低每个交易的成本。添加了一个内置函数来支持StarkNet合约中更高效的按位运算（文档）；以及StarkNet正在从Ropsten迁移到Goerli。[2021/9/1 22:53:12]

跨链消息通信协议仍处于早期阶段。没有大型全链DApp完全建立在这些跨链通信协议之上。

为什么需要ZK？

虽然这些跨链桥带来了很多便利好，例如提高资金利用率和改善用户体验，但它们也带来了安全风险。针对跨链桥的攻击给用户造成了巨大的经济损失。这使得安全性成为跨链桥开发的重中之重。这些攻击使用户损失了超过15亿美元。

一年内，跨链桥在黑客事件中的总损失约为13亿美元。跨链桥的使用手续费用在5?左右。Multichain是跨链桥中的头部项目。Multichain的30天交易量为$1.7B，手续费收入为$635K。那么一年的交易量约为204亿美元，手续费收入为760万美元。按照这样预估，跨链桥市场的手续费总收益远小于被黑客盗走的资金。

通过验证源链区块头，ZKP跨链消息协议可以缓解部分安全问题。用户可以直接在目标链上访问源链证明并自行验证证明。如果没有ZKP，这将很难做到。在传统项目中，这种验证成本太高，用户无法承受。

设计

在这一部分，我们将讨论ZKP是如何实现低成本，安全的跨链信息通信。

将ZKP用来中继消息的想法很直观，但详细设计可能很复杂。整个工作流程可以分解为以下步骤：

决定将哪些数据传递给目标链

获取存储证明

根据存储证明生成ZK证明

将ZK证明从起始链传递到目标链

在目标链上展开ZK证明

在目标链读取跨链信息

生成存储证明

大多数EVM兼容链都提供了这个功能。一旦用户明确了存储槽位，他们就可以使用RPC调用此方法来生成存储证明。

以太坊ZK Rollup扩容方案Hermez Network正式上线:3月24日消息，以太坊ZK Rollup扩容方案Hermez Network正式上线。这意味着Hermez的主网已经启动，用户现在可以以更低的Gas成本转账。Hermez的技术主管Jordi Baylina表示，用户可以因此节省大约90%的Gas成本。目前每笔交易的平均Gas费约为16美元，如果能节省90%的费用，每笔交易的成本将降至1.5美元。（Theblockcrypto）[2021/3/24 19:14:17]

EVM兼容链使用MerkleTree来存储账户和数据。这使得创建MerkleProof来验证这些数据变得相对简单。

MerkleTree是计算机科学中使用的一种数据结构。在密码学和区块链中的使用较多。它以其发明者RalphMerkle的名字命名，也被称为二叉哈希树。MerkleTree背后的基本思想是将大量数据分成较小的部分，对每个部分进行哈希处理，然后组合哈希值以形成单个根哈希值。此根哈希充当整个数据集的指纹，允许对数据的完整性进行高效和安全的验证。

在区块链中，MerkleTree用于汇总和验证区块中的交易。每笔交易都经过哈希处理并添加到树中，哈希值以特定方式组合形成单个根哈希值，然后添加到区块头中。这允许以一种高效且安全的方式来验证区块中大量交易的有效性，而无需单独验证每个交易。如果交易中的任何数据发生变化，根哈希也会发生变化，表明数据已被篡改。

Merkle证明，也称为Merklepath，是一种密码学证明，证明特定数据包含在MerkleTree中。MerkleTree证明提供了一种验证交易或其他数据真实性的方法，而无需下载和验证整个MerkleTree。

在Merkle证明中，用户提供了从MerkleTree底部到根哈希的一系列哈希，以及要验证的具体数据。通过从特定数据开始并沿着树向上，接收者可以计算根哈希并将其与存储在块头中的根哈希进行比较。如果计算出的根哈希值与存储的根哈希值匹配，则接收者可以确信特定数据包含在块中并且未被更改。

Merkle证明是确保区块链网络的效率和可扩展性的重要组成部分。通过允许在无需下载和验证整个MerkleTree的情况下验证特定数据。MerkleProof减少了需要传输和处理的数据量，从而提高了网络的整体性能。

结合存储证明和ZKP

将整个存储证明发布到目标链上是不切实际的，因为它太大了，大约4kb。对于证明进行验证也很昂贵。在以太坊上进行验证需要600kgas。如果gas价格为30gwei，则总费用为0.018ETH。

在这种情况下，ZKP可以提供压缩和可组合性。开发者可以基于MerkleTreeProof创建ZKP。这可以大大减少证明的大小，并且使证明更容易验证。验证Plonk大约需要290kgas。如果gas价格为30gwei，则总费用为0.009ETH。一次Groth16验证使用了大约210kgas。如果gas价格为30gwei，则总费用为0.006ETH。

借助可组合性，开发人员甚至可以将不同的存储证明组合到一个ZKP中以节省资源。

路印协议 Steve Guo：短期Optimistic 或胜出，中长期ZK Rollup将胜出:3月11日，在以《Layer2百花齐放， DeFi 们如何“站队”？》为主题的AMA中，路印协议CTO Steve Guo、Synthetix大中华区负责人Dorothy、Huobi Global商业战略总监哲叔、Starks Network联合创始人张晓关于即将到来的Layer2展开了精彩的对话。

Steve Guo表示，路印协议的设计考量最重视安全性。zkRollup相比于Optimistic Rollup来说，最大的好处就是在于能保证用户资产结算的最终确定性时间比较短，能做到分钟级别，而Optimistic Rollup则需要1周以上的时间。

Steve Guo认为“在短期内，对于通用EVM计算而言，Optimistic Rollup可能会胜出，随着ZK-SNARK技术的改进，在中长期而言，ZK Rollup将在所有用例中胜出。”在接下来2年左右的时间，会多个Layer2共存。一些严重受限于Layer1资源的一些应用场景会在Layer2上得到更大的爆发，比如DEX，去中心化的永续合约，去中心化的期权等项目。[2021/3/11 18:36:52]

中继ZKP

为了安全地将相关承诺，如状态根或相关的ZKP传递到目标链，我们需要设计一个共识机制。

中继ZKP有3种常见的方式：

消息传递：使用一些消息传递协议传递ZKP，并通过OPCODE获得相关承诺

共识验证：通过运行共识算法来验证相关承诺

OptimisticMPCrelayer：部分思路与我们在很多跨链资产桥和OPRU设计中看到的类似。初始链和目标链之间有一个委员会。委员会的参与者决定中继承诺的有效性。任何人都可以挑战有效性。但是当挑战发生时，桥不能像Rollup那样回滚。需要一组单独的挑战者真正阻止恶意消息的传递。在这种情境下，挑战成本高，且延迟高，因为这涉及不断将根哈希和所有CALLDATA上传到初始链。并且它也只能以点对点的方式工作。

中继ZKP最为重要的是以下因素：

延迟

成本

信任

链下计算

消息传递的延迟相当高，因为消息传递需要时间来确认。在区块产生后，用户才能确认传递成功。在成本方面，消息传递需要与两个链进行交互，因此比较高。这种方式需要的信任较少，因为安全性等同于链的安全性。这种方式没有进行任何的链下计算。

共识验证是一种可行的方法。它与信息传递具有类似的延迟，信任假设和成本。然而，它必须在链外验证签名。这引入了大量链外计算的开销。但共识验证今天也可以通过ZKP完成。

ZK Labs将对PlotX进行智能合约安全审计:调研机构CryptoDiffer发推特称，ZKLabs将在PlotX主网上线前对其进行智能合约安全审计。ZKLabs将会验证PlotX智能合约的安全性，然后将由PlotX社区开发人员重构。据此前报道，DeFi预测市场平台PlotX更新用户界面，允许用户查看包括预测接受与否、处理进程、奖励分配等各个阶段的进展，以及可以同时使用PLOT代币以及ETH来购买预测头寸，旨在为启动主网做准备。部分新的用户界面功能将很快PlotX测试版中实现，不过完整的功能将在PlotX的主网版本中实现。[2020/9/11]

OptimisticMPCrelayer牺牲了一些信任，但获得了更低的延迟。用户只需要将交易发布到中继器网络。具体的延迟取决于具体的optimisticMPCrelayer机制。挑战期可能会导致更大的延迟。用户需要对中继网络有最小的信任。这种方式没有大量的链外计算，但需要在中继网络中进行通信和欺诈证明。

展开承诺

在得到承诺后，目标链上的用户可以展开承诺，访问初始链过去的状态。

三种常见的展开方式是：

链上积累

链上压缩

链下压缩

链上积累是一种在区块链网络中展开承诺的方法。在这种方法中，从承诺中重新创建区块头的整个过程直接在区块链上执行。正确编码的区块头作为交易中CALLDATA，由区块链来执行计算。这种方法的好处是在证明时间方面没有额外开销。并且延迟很低，因为证明不需要在区块链之外进行验证。然而缺点是成本可能很高，因为计算可能是消耗很多资源。

链上压缩是一种减少需要存储在区块链上数据量的方法。它用于最小化在区块链上存储大量数据的成本。链上压缩背后的想法是使用压缩算法来减小数据的大小，从而减少它在区块链上占用的空间。这可以通过从数据中删除冗余或不必要的信息，或使用针对空间效率优化的数据结构来完成。然后将压缩后的数据存储在区块链上，需要使用时可以解压。

链上压缩具有降低存储成本和提高区块链可扩展性的优势。但是，它也有一些缺点。例如，压缩和解压缩数据的过程在计算上可能很昂贵，这会增加区块链的延迟。此外，所使用的压缩算法可能会对数据的安全性产生负面影响，因为它可能容

易受到篡改或攻击。

链下压缩和链上压缩类似。

下面是这三种方法的对照表：