Loopring，路印，一直專注在高性能的去中心化交易協(xié)議。路印協(xié)議的目標(biāo)是想實現(xiàn)以太坊上基于訂單撮合的去中心化的交易協(xié)議。從2017年，路印從“環(huán)路撮合”的最初設(shè)計，經(jīng)過了1.0，2.0以及3.0的三個大的版本的協(xié)議升級。1.0/2.0，相對來說，受限以太坊本身性能的限制，交易流程復(fù)雜，體驗和中心化交易所相比，有較大的差距。路印協(xié)議3.0，是一種大膽的設(shè)計和嘗試，通過零知識證明技術(shù)（ZKP），兼顧去中心化和交易性能。

1. 路印協(xié)議1.0/2.0

路印協(xié)議在2.0版本之前，雖然有一些細(xì)致的功能和改進(jìn)，但是，從框架上來說，沒有本質(zhì)的改變：

鏈下主要由Relay維護(hù)訂單（Order Management）和完成訂單的撮合（Settlement Engine）。完成撮合的訂單，需要在鏈上記錄（由鏈上的智能合約實現(xiàn)）。簡單的說，2.0協(xié)議之前，采用的是“鏈下撮合，鏈上記錄“的方式。在這種方式下，所有的交易狀態(tài)記錄在鏈上，鏈上的智能合約需要實現(xiàn)很多邏輯：

· 檢查訂單的簽名信息

· 檢查訂單的填充率以及是否取消

· 檢查訂單的時間

· 計算費率

· 在上述檢查和計算完成后，完成token之間的轉(zhuǎn)賬

往往一個撮合中包括多個訂單，完成這樣的一筆撮合大概需要20w～30w的GAS費用。也就是說，在以太坊區(qū)塊最大GAS 800w，出塊速度是15秒的前提下，路印2.0協(xié)議的撮合性能大概是：每秒大約2筆撮合。

2. 路印協(xié)議3.0

采用零知識證明（ZKP）技術(shù)，路印協(xié)議3.0所有的撮合邏輯都在鏈下完成。每一筆撮合（Settlement）都會生成證明并提交到鏈上，證明鏈下的撮合正確無誤。路印協(xié)議3.0的設(shè)計文檔發(fā)布在Github上：

路印協(xié)議3.0的框架如下：

2.1 鏈上/鏈下同步

路印協(xié)議采用和以太一致的“賬戶”模型，所有的賬戶的“狀態(tài)”（余額）都記錄在鏈下。

所有和狀態(tài)相關(guān)的操作，都是在鏈下更改，提交Proof到鏈上記錄。因為存在鏈上鏈下的狀態(tài)同步，賬戶的任何操作有三個狀態(tài)：

1/ Committed （操作已經(jīng)提交）2/ Verified （該操作已經(jīng)提供了相應(yīng)的Proof）3/ Finalized（之前的所有的操作都已經(jīng)提交正確的Proof）

以用戶Deposit“充值”的操作為例：

用戶轉(zhuǎn)賬到路印協(xié)議的智能合約，轉(zhuǎn)賬在鏈上確認(rèn)（鏈上完成充值）。該操作的狀態(tài)就是“Committed”。鏈下的Relay，監(jiān)測到“Committed”的狀態(tài)后，更改鏈下的狀態(tài)，生成Proof，并將證明提交到鏈上，此時該“充值”操作的狀態(tài)為“Verified” - 鏈下也已經(jīng)完成充值。如果之前的所有操作都是Verified，那該操作的狀態(tài)就是Finalized（也就是這個狀態(tài)是確定的，不會被篡改的）。

2.2 鏈下狀態(tài)和操作

為了支持DEX的業(yè)務(wù)場景，并結(jié)合ZKP的技術(shù)要求，路印3.0將鏈下的狀態(tài)用三層的四叉Merkle樹來表示：

第一層是N層的四叉樹，維護(hù)DEX的所有賬戶信息（也就是能支持400w左右的用戶）。

第二層是M層的四叉樹，支持一個賬戶下的所有Token信息。一個Token一個葉子節(jié)點。

第三層是K層的四叉樹，一個賬戶下某個Token的Order信息。

所有的操作，都會更改這三層Merkle，完成狀態(tài)的變化。路印3.0協(xié)議支持如下的一些操作：

1/ On-chain Deposits （在線充值）

2/ On-chain Withdrawals（在線提幣）

3/ Off-chain Settlements （鏈下撮合）

4/ Off-chain Withdrawals （鏈下提幣）

5/ Off-chain Order Cancellation（鏈下取消訂單）

6/ Off-chain Transfers （鏈下轉(zhuǎn)賬）

大部分操作都比較容易理解，需要說明的是2和4。因為每個操作都需要經(jīng)歷三個狀態(tài)，需要鏈上鏈下的同步，所以， 用戶既可以從鏈上，也可以從鏈下發(fā)起提幣操作。

2.3 ZKP證明

路印3.0，采用的是zkSNARK的Groth16算法提供零知識證明。針對每種操作，Relay都會提供對應(yīng)的ZKP證明電路。以鏈下撮合為例，相應(yīng)的電路證明的邏輯如下：

假設(shè)Account X鏈下轉(zhuǎn)賬給Account Y。ZKP證明電路，包括：

1/ TradeHistory中Order Ox的變化導(dǎo)致TraderHistory的樹根的變化

2/ TradeHistory中Order Oy的變化導(dǎo)致TraderHistory的樹根的變化

3/ Balance Bx變化導(dǎo)致Balance的樹根的變化

4/ Balance By變化導(dǎo)致Balance的樹根的變化

5/ 兩個賬戶的Balance的變化一致

6/ Account X和Account Y賬戶的變化導(dǎo)致的Account樹根的變化

注意，不同的操作會有不同的電路對應(yīng)。簡單的說，鏈下的狀態(tài)的變化，都會對應(yīng)不同的電路，并且，電路生成的證明會提交到鏈上。鏈下的狀態(tài)變化，“固化”成規(guī)則，并通過ZKP的電路表示。這種思路，和以太坊的zk Rollup的思路一致。

在鏈上，雖然智能合約不再需要驗證和記錄撮合信息，但是，需要提供Order信息以及各種操作的證明。Order信息可以通過Calldata存儲在鏈上。在鏈上驗證Groth16的Proof，還是比較昂貴的。一個Proof的驗證，目前需要50w左右的GAS費用。在君士坦丁堡升級后，可以降到原來1/4左右。

為了進(jìn)一步節(jié)省鏈上的GAS費用，路印3.0設(shè)計了“Batching”的操作處理（批量處理），也就是多個同類操作，一起生成一個Proof。多個同類操作，被打包在一起，稱為“Block”（和區(qū)塊鏈中的Block不是一個含義）。

3. 性能對比

在足夠多的交易的情況下，路印3.0的TPS在目前的以太坊上達(dá)到了350。在君士坦丁堡升級后，TPS能達(dá)到1400。每筆交易平均下來的費用大約在1美分。

總結(jié)：

Loopring，路印，一直專注在高性能的去中心化交易協(xié)議。從2017年，路印從“環(huán)路撮合”的最初設(shè)計，經(jīng)過了1.0，2.0以及3.0的三個大的版本的協(xié)議升級。路印協(xié)議3.0，通過零知識證明技術(shù)（ZKP），兼顧去中心化和交易性能。在鏈下維護(hù)Account模型的賬戶狀態(tài)，每個操作都通過ZKP，生成證明并存儲到鏈上，保證鏈下的狀態(tài)可靠安全。在足夠多交易的情況下，目前路印3.0協(xié)議的TPS可以達(dá)到350。每筆交易平均下來的費用大約在1美分。
來源： 星想法?