一文读懂 ZK 模块化新星 Lumoz

Biteye

2024-04-17 19:02:54

随着技术的进步，ZK-Rollup 相关的基础设施建设也愈发成熟，采用 ZK 方案的 Rollup 极有可能在未来的 L2 井喷中占据重要的市场份额。

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作者：Biteye 核心贡献者 Wilson Lee

编辑：Biteye 核心贡献者 Crush

社区：@BiteyeCN

导读

随着模块化区块链对 L2 的快速渗透、各类 RaaS 工具的成熟，以及坎昆升级的实施，L2 的构建门槛被大幅度降低，技术不再是构建 Rollup 的主要障碍。

此外，Base、Manta Pacific、Blast 等新兴 Rollup 通过采用现有工具低成本构建 Rollup，并将项目重点转向生态，获得了快速崛起，这为市场树立了标杆性的打法。传统应用转型 L2，以及各类轻量 L2 的爆发似乎已经成为不可逆转的趋势。

在 Rollup 的技术路线方面，早有 OP 和 ZK 之争，Vitalik 曾多次表示“短期 OP，长期 ZK”的观点，因为 ZK-Rollup 在技术方面还有许多问题尚待解决。

随着技术的进步，ZK-Rollup 相关的基础设施建设也愈发成熟，采用 ZK 方案的 Rollup 极有可能在未来的 L2 井喷中占据重要的市场份额。Lumoz 作为领先的专注于 ZK 的 RaaS，有巨大潜力在不久的将来取得成功。

ZK-Rollup 的瓶颈

2.1 模块化视角下的 Rollup

关于 OP-Rollup 和 ZK-Rollup 的基础原理可能读者已经较为清楚，这里将从模块化的视角来再次理解 Rollup。

Rollup 本质上是通过模块化的分工实现资源的最优配置，让不同的参与方能够专注承担一种任务，从而提高整体的效率。

以太坊的模块化构成可以简单拆解成：数据可用性层 DA、共识层 Consensus、结算层 Settlement、执行层 Execution。

执行层 Execution

提供执行环境来计算交易，将旧的状态转换为新的状态，向结算层提交新状态，以及欺诈/有效性证明。

执行层内部还可以进一步分工为 Sequencer 和 Prover，Sequencer 负责计算状态转换，而 Prover 负责生成证明（尤其是ZK-Rollup，因为生成证明的计算类型和开销对硬件有一定要求）。

结算层 Settlement

验证执行层计算的状态转换的正确性。一般是部署在 Layer1 上的智能合约，负责验证执行层的计算；通过验证的 Rollup 区块的状态哈希将被被记录在链上，此时这个由 Rollup 产生的区块获得了最终确定性 Finality。

对于 ZK-Rollup来说，该合约写入了对特定 ZK-Rollup 提交的 ZK Proof 的验证算法，ZK-Rollup 完成执行后向合约递交状态哈希和 ZKP，触发验证交易，当验证通过时，该状态哈希被证明有效，该区块获得 Finality。

（来源：https://docs.theradius.xyz/overview/introduction-to-radius）

共识层 Consensus

共识层在绝大部分情况中是 Layer1 承担，被共识层验证过的状态哈希被记录在链上，对应的 Rollup 上的交易区块获得了 Layer1 保护的安全性。

数据可用性层 DA

保存 Rollup 区块内的交易数据，并提供给任何人，让其随时能够重建 Rollup 的交易。DA 层可以是 Layer1，也可以是 Celestia、EigenDA 等的专用 DA 层，或者是较为中心化的数据可用性委员会，等等。

2.2 ZK-Rollup 普及面临的难题

虽然 ZK-Rollup 具有诸多优点，并被 Vitalik 看作长期的以太坊扩容方案，但其面临的诸多技术难题限制了现阶段的大规模采用。

如计算 ZKP 的成本过于高昂、zkEVM 过于复杂、ZKP 计算对硬件要求高可能导致中心化，等等。

计算 ZKP 的成本高昂

ZKP 计算密集。以最流行的 ZK 算法 zk-SNARKs 为例，ZKP 的生产实际上是把程序的执行过程转换成一个可以验证的命题。

这个命题会被抽象为一个多项式方程组，为了证明程序执行的正确性（多项式的解存在），需要在椭圆曲线上进行配对操作（pairing operations）。

多项式的生成和椭圆曲线配对是非常计算密集型的，因为它们需要处理大量的代数运算。

硬件要求与执行时间方面，这种计算复杂性导致了高昂的硬件要求。普通硬件可能难以在合理的时间内完成这些计算，尤其是当处理大量交易时。

生成一个 zk-SNARK 证明的时间，比执行原始程序（不包括证明过程）的时间要长得多。根据不同的实现和交易复杂性，生成证明的时间可能是原始计算时间的数百到数千倍。

ZKP 计算对硬件要求高可能导致中心化

由于ZKP的计算成本和硬件要求高，小规模的 Rollup 运营商可能难以承担必要的投资来成为证明者（Prover）。

这种情况下，只有少数拥有高性能计算资源的参与者能够有效地生成证明，从而导致 ZK-Rollup 中的中心化趋势。这种中心化可能与区块链的去中心化精神相悖，且可能引入单点故障和审查的风险。

zkEVM 过于复杂

设计兼容性方面，EVM 设计之初并未考虑兼容零知识证明技术。EVM 是基于堆栈的虚拟机，支持一系列操作码（opcode），用于执行智能合约。

为了使 EVM 执行的任意程序都能通过 zk-SNARKs 生成有效证明，需要对EVM 的每个操作码都创建相应的数学表示和证明逻辑。这不仅需要复杂的密码学转换，而且对现有智能合约的兼容性提出了挑战。

实现 zkEVM 需要对 EVM 操作码进行大量的数学建模，将程序执行转换为可以通过 zk-SNARKs 证明的形式。

这包括模拟 EVM 的状态转换、内存操作、以及合约调用等过程。考虑到 EVM 的灵活性和复杂性，这项任务极其艰巨。同时，保持 zkEVM 的效率和安全性，确保它能生成小型、可验证的证明，也是一大挑战。

Lumoz 如何解决 ZK-Rollup 的普及瓶颈

Lumoz 是一个去中心化的 ZK-RaaS（ZK-Rollup作为服务）平台，同时也是一个PoW（工作量证明）网络，用于支持ZKP（零知识证明）挖矿。

为了解决 ZK-Rollup 面临的一系列挑战，Lumoz 引入了 ZK-RaaS 的概念。该服务使开发者能够在一分钟内启动他们的zkEVM链，无需详细了解ZK或链节点。

Lumoz 还引入了 ZK-PoW 的概念，邀请矿工参与维护 zkEVM 并计算 ZKP。Lumoz 的目标是简化 ZK-Rollup 的使用，并促进其更广泛的采用，从而促进基于 zkEVM 的应用链的大规模部署。

开发者可以通过单击一次按钮在多个链上部署他们的 ZK-Rollup（zkEVM）。对于矿工来说，Lumoz 作为一个多链 PoW 协议，支持在各种公链上进行 ZK 挖矿并为 ZK-Rollup 生成零知识证明。

3.1 ZK-PoW 云：解决 ZK 算力与中心化问题

ZK 算力与中心化的问题本质上是 ZKP 计算对算力要求高，硬件门槛又进而导致了中心化问题。

Lumoz 利用 ZK-PoW机制激励矿工提供 ZKP 计算能力，为 ZK-Rollup 提供全面的硬件基础设施，这是 Lumoz 的核心理念之一。

所有参与者，包括用户、开发者和矿工，都可以从 Lumoz 的经济模型中获益，助力 ZK-Rollup 的大规模应用。

Lumoz 对现有硬件资源的利用

在从以太坊 PoW 过渡到 PoS 之后，许多以太坊挖矿机失去了应用场景。这些挖矿机的价值在资本规模上约为 120 亿美元，目前有很多处于闲置状态。随着 ZK-Rollup 的大规模实施，生成 ZKP需要大量的硬件和挖矿机，如 CPU、GPU 和 FPGA，提供计算能力。

Lumoz 优化的 ZKP 算法，降低矿工参与门槛，提高扩容效率

提出 ZKP 验证的两步提交机制，降低矿工参与门槛

为了鼓励更多的矿工同时参与 ZKP 计算任务，Lumoz 提出了 ZKP 验证的两步提交机制。

提交 proofhash：在一定的时间范围内，多个矿工可以参与 ZKP 的计算，而不是让最先计算出 ZKP 的矿工立刻获得奖励。这种设计允许更广泛的参与，不仅限于计算能力最强的矿工。矿工在完成 ZKP 的计算后，不会立即提交他们计算出来的原始证明，而是先对这个证明以及他们自己的地址（proof/address）进行哈希处理，生成一个称为 proofhash 的哈希值。然后，他们将这个 proofhash 提交到区块链上的一个特定合约中，这个步骤不需要透露证明的具体内容，保证了提交过程的安全性和效率，也能够让更多矿工能够参与到计算中。

提交 ZKP：时间范围结束后，矿工提交原始证明并与先前提交的 proofhash 进行对比验证，这一步骤确保了提交的证明是在第一步骤中声明的那个证明，防止了作弊行为。通过此验证的矿工将获得 PoW 奖励，奖励数量根据矿工的权益进行分配，并非只有最先计算出 ZKP 的矿工获得奖励。

（来源：https://docs.lumoz.org/v/zhong-wen-jian-ti/lumoz-bai-pi-shu-v2）

优化 ZKP 生成算法，提高证明效率

当 Rollup 智能合约验证 ZKP 时，如果提交原始证明，可能会引发链上攻击。为了避免此类攻击，ZK-Rollup 经常执行额外的操作以模糊原始证明数据。Lumoz 针对 ZKP 的创新的两步提交算法采用了“先提交，后验证”的方法，规避了对证明和地址进行不必要的聚合计算。

在一些开源的 zkEVM 中，ZKP 的计算和提交是顺序进行的。当 ZK-Rollup 提交大量序列时，这可能成为瓶颈，因为矿工无法并行计算多个 ZKP。Lumoz 的两步提交算法实现了 ZKP 的并行计算和顺序提交，使矿工能够同时执行多个 ZKP 生成任务，显著提高了ZKP生成效率。

Lumoz 团队还改进了 ZKP 递归聚合算法，显著提高了集群中机器资源的利用率，进一步加快了 ZKP 计算。在实际环境中进行的压力测试显示，使用一个由 20 台机器组成的机器集群（每台机器配备 128 核 CPU 和 1TB 内存），可以在约 40 分钟内维持 27.8 个交易每秒的速率。在类似条件下，Lumoz 成功将平均交易确认时间从大约 5-6 分钟缩短到约 3 分钟，将 ZKP 生成效率提高了约 80%。

随着越来越多的 ZK-Rollup 和矿工的参与，ZKP 计算能力市场的需求和供应规模将继续扩大，使 Lumoz 的 PoW 算法所提供的效率改进越发显著。

3.2 ZK-RaaS：解决开发门槛

一键生成 ZK-Rollup

Lumoz 提供的 ZK-RaaS（ZK-Rollup作为服务）为所有用户提供一键式的ZK-Rollup生成服务。

Lumoz提供了一个通用的 ZK-Rollup 发射台，使开发者能够轻松地将不同类型的ZK-Rollup部署到不同的基础链上。

这些基础链包括以太坊、Lumoz 链、BNB 链、Polygon PoS 和其他公链。

ZK-Rollup（zkEVM）的类型包括zkSync、Polygon zkEVM、Scroll、StarkNet和其他zkEVM，以及其他各种ZK-Rollup。

便捷管理 ZK-Rollup

Lumoz 在每个基础链上部署了一个 Rollup 系统合约（RSC），用于管理该链上 Rollup 的生命周期，包括注册、暂停和撤销。

通过使用一定数量的 MOZ（Lumoz原生代币）租赁一个 Rollup 槽位，开发者可以拥有一个 ZK-Rollup。

Rollup 槽位的概念类似于Polkadot中的槽位或 Cosmos 中的应用链。然而，Cosmos 的应用链需要维护自己的共识层和跨链桥接，存在较大的安全风险。相反，ZK-Rollup 应用了 ZK 技术，通过数学方法确保 Rollup 与基础链之间的共识和数据可用性层的共享。这种方法更安全、更去中心化，并且维护成本更低。

租赁 Rollup 槽位后，开发者获得了一个独立的执行环境，可以拥有一个独特的 ZK-Rollup 链。开发者可以完全控制 ZK-Rollup，并自定义其经济模型，包括选择 GAS 代币。他们可以自由调整 GAS 费用，甚至可以将其设置为零，从而使用户免费使用。

成本低廉

开发者无需承担任何硬件成本。所有硬件资源，如数据可用性、序列化器和 ZKP 计算能力，都由Lumoz ZK-PoW 云提供并去中心化。

互操作性

不同基础链上的不同 ZK-Rollup 之间可以实现本地的跨Rollup通信。这是一种消息通信机制，使一个Rollup 上的地址能够直接与另一个 Rollup 上的合约进行交互。这个功能极大地解决了用户资产的碎片化问题，并增强了应用之间的互操作性。

3.3 Lumoz 链：进一步优化基于 Lumoz 构建的 ZK-Rollup

Lumoz 链是 Lumoz 支持的基础链之一，采用 PoS 和 PoW 的混合共识模型，不仅支持 Lumoz ZK-PoW 云，还为 ZK-Rollup 提供进一步的优化。

对 ZK-Rollup 性能的优化

这些优化包括使用预编译合约加速 ZKP 验证、数据分片支持以及基于 ETH 2.0 的 PoS 共识。未来还将扩展支持 EIP-4844、DankSharding 和其他完全分片解决方案，可能将 Rollup 的 GAS 成本降低到接近零。

一种去中心化 Sequencer 的方案

让 Lumoz 链的区块提议者同时为 Rollup 层提议区块，从而有效地分离了构建者和提议者的角色。

构建者通过无许可的 P2P 网络获得支持，而提议者则依赖于 Lumoz 链的区块提议者。这种方法消除了单个节点的可用性风险，同时保持对Miner Extractable Value（MEV）和审查制度的抵抗力。

Lumoz链提供了一个标准化的去中心化序列化机制，其中区块提议者还为Rollup提议区块。通过这种方式，ZK-Rollup不仅继承了来自更高层的安全性，还继承了其分散化程度。

在Lumoz链中：Lumoz 允许持有 Lumoz 代币的任何人成为验证者，验证者可以从Lumoz链中获得区块奖励和燃气费用。

在Rollup层中：

PoS（序列化器）：验证者在 Lumoz 链和 Rollup层（即数据批次）中提议区块。因此，他们也充当Rollup 层中的排序器，在那里他们可以从交易中获得 GAS 费用。

PoW（证明者）：任何具备足够计算能力进行 ZKP 计算的个人都可以成为 Rollup 层中的证明者。根据PoW 规则，证明者从序列化器提交的 Rollup 层区块中生成zk证明。

ZK-Rollup 类似于一台计算机，硬盘代表 PoS 提供的数据可用性，而 CPU 则反映了 PoW 授予的计算能力。

Lumoz链的任务是在 PoS 和 PoW 之间取得平衡，使所有参与方能够最大程度地发挥贡献和获益，从而提高大规模 ZK-Rollup 网络的性能和用户体验。

市场格局与 Lumoz 独特的切入点

放眼 RaaS 和模块化赛道，当前的市场竞争已经趋于白热化。结算层已经是属于 ETH、Optimism、Arbitrum 等大玩家的游戏；

互操作性则有 Mini Bridge、Orbiter、Connext 等资产跨链桥，以及 Layzero、Chainlink CCIP 等跨链通信项目；

DA 层已经被 Celestia、EigenDA 等项目占据绝对的市场位置；Rollup 堆栈层面，大部分 Rollup 项目，甚至是 RaaS 提供商都严重依赖 Optimism、Arbitrum、Polygon、zkSync 等 L2 提供的开发套件，这也导致了纯做开发工具的 RaaS 项目的同质化；

在去中心化排序器层面，也有 Altlayer、Espresso 等新锐项目取得了先发优势。

同质化和寡头化，是 RaaS 和模块化赛道较为明显的特征。新项目破局，需要有独特的切入点和前瞻性的布局。

Lumoz 推出的算力模块和 RaaS 的组合拳能够一站式解决 ZK-Rollup 的一系列痛点，助推 ZK-Rollup 的快速普及。

目前，在 ZK-Rollup RaaS 的细分领域中，Lumoz 已经是领先的“整合式”平台，随着 ZK-Rollup 渗透率的提高，Lumoz 将有巨大潜力在 ZK-Rollup 细分赛道上成长为最亮眼的玩家。

在可比项目层面，将 Lumoz 比做 ZK 赛道的 AltLayer 是具有合理性的。AltLayer 同 Lumoz 的定位类似，都不是单纯的 RaaS 项目，而是通过某一特性为 RaaS 赋能，为客户提供更加全面的服务，从而取得优势的市场地位。

（来源：Binance Research）

AltLayer 通过基于 EigenLayer 的重质押排序器来为 RaaS 赋能，取得了一定的市场地位。Lumoz 则是通过共享 ZK 算力，帮助 ZK-Rollup 项目解决启动之后的计算难题。

（https://docs.altlayer.io/altlayer-documentation）

AltLayer 目前的 MC 达到了 6.7 亿美金，FDV 更是超过53亿美金。AltLayer 的市场表现展现了 RaaS 赛道的高价值捕获。同理，Lumoz 作为目前 ZK RaaS 赛道的领先玩家，通过整合 ZK 算力和 RaaS 服务，也一定能够在 ZK-Rollup 全面爆发的时候取得不俗的市场表现。