撰文：Christine Kim

編譯：aididiaojp.eth、0x11，F(xiàn)oresight News

簡(jiǎn)介

零知識(shí)以太坊虛擬機(jī) zkEVM 是一項(xiàng)備受關(guān)注且可能改變游戲規(guī)則的技術(shù)，它可在短期和長(zhǎng)期內(nèi)提高以太坊的可擴(kuò)展性。今年三個(gè)主要的以太坊擴(kuò)容項(xiàng)目 zkSync、Polygon 和 Scroll 都各自宣布了其 zkEVM 實(shí)施的重大進(jìn)展，其中許多項(xiàng)目已在今年的早期啟動(dòng) alpha 階段，如今已作為 L2 區(qū)塊鏈獨(dú)立運(yùn)行。隨著時(shí)間的推移，zkEVM 有可能直接在以太坊的基礎(chǔ)層運(yùn)行。

zkEVM 是可以執(zhí)行與以太坊虛擬機(jī) (EVM) 相同的高級(jí)編程語(yǔ)言或低級(jí)字節(jié)碼的虛擬機(jī)，并使用零知識(shí)證明 ZKP 證明此代碼，另外加密證明可在不泄露的情況下驗(yàn)證有關(guān)數(shù)據(jù)本身的任何信息，例如其屬性或內(nèi)容。早在 1982 年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Goldwasser、Micali 和 Rackoff(Silvio Micali 是 Algorand 區(qū)塊鏈的創(chuàng)始人)首次引入 ZKP 概念。ZKP 經(jīng)常與密碼學(xué)的另一個(gè)分支同態(tài)加密混淆。同態(tài)加密允許對(duì)加密數(shù)據(jù)執(zhí)行操作而無(wú)需解密數(shù)據(jù)，由 Rivest、Adleman 和 Dertouzos 于 1978 年首次提出，并已成為實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)之一。值得注意的是，同態(tài)加密也被用于一些公共區(qū)塊鏈協(xié)議利用，如隱私幣 Grin 用它來(lái)混淆交易金額。

在過(guò)去的 40 年里，計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)明了多種算法來(lái)安全高效地生成 ZKP，其中許多算法屬于兩大類(lèi)：可擴(kuò)展的透明知識(shí)論證 (STARKs) 或簡(jiǎn)潔的非交互式知識(shí)論證 (SNARKs)。這些算法是為大范圍用例開(kāi)發(fā)的，包括核裁軍(消除和減少核武器的行為)、身份認(rèn)證系統(tǒng)，以及最近可擴(kuò)展的公共區(qū)塊鏈和加密貨幣。特別是在以太坊上，許多開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為 ZKP 是擴(kuò)展的「圣杯」，因?yàn)榕c其他加密方案相比，ZKP 具有簡(jiǎn)潔和易于驗(yàn)證的特點(diǎn)。難以構(gòu)建或破解但易于驗(yàn)證是密碼協(xié)議開(kāi)發(fā)人員的共同目標(biāo)，因?yàn)檫@樣它就可以被廣泛而有效地使用。

零知識(shí)系統(tǒng)很難被推廣和應(yīng)用于證明任意復(fù)雜性的代碼，構(gòu)建 ZKP 以本地支持和證明以太坊區(qū)塊鏈上所有類(lèi)型的交易活動(dòng)一直是開(kāi)發(fā)人員在過(guò)去幾年中進(jìn)行的一項(xiàng)持續(xù)研究計(jì)劃。直到 2021 年 11 月，Starkware 才推出了第一個(gè)用于證明基于以太坊交易的通用 ZK 系統(tǒng)，這是通過(guò) Starkware 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的自定義編程語(yǔ)言 Cairo 實(shí)現(xiàn)的。然而在 2022 年 7 月，三種不同基于以太坊的 L2 協(xié)議包括 zkSync、Polygon 和 Scroll 宣布在利用 ZKP 以 zkEVM 的形式擴(kuò)展以太坊方面取得了突破。

注意：雖然通俗地稱(chēng)為 zkEVM，但這些虛擬機(jī)并沒(méi)有利用 ZKP 的隱私優(yōu)勢(shì)，而是完全受益于 ZKP 的安全和效率優(yōu)勢(shì)。因此，這些類(lèi)型的虛擬機(jī)更準(zhǔn)確的名稱(chēng)是有效性證明生成 EVM，但在本報(bào)告中，它們將使用更流行的名稱(chēng) zkEVM。

本報(bào)告旨在讓讀者熟悉 zkEVM 的一般概念，并了解其在以太坊開(kāi)發(fā)中的各種實(shí)現(xiàn)方式。由于 zkEVM 是一個(gè)比較抽象的主題，本報(bào)告首先簡(jiǎn)要概述以太坊網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，并通過(guò)介紹區(qū)塊生產(chǎn)、EVM 和 Rullups 等核心概念為理解 zkEVM 奠定基礎(chǔ)。然后，我們將總結(jié)以太坊上可以存在的不同類(lèi)型的 zkEVM，并比較目前生產(chǎn)中的 5 種主要 zkEVM 實(shí)現(xiàn)。我們將重點(diǎn)介紹這項(xiàng)新興技術(shù)在實(shí)施中面臨的挑戰(zhàn)，以及我們對(duì) zkEVM 隨時(shí)間推移的競(jìng)爭(zhēng)格局的展望。總體而言，zkEVM 仍處于以太坊開(kāi)發(fā)和采用的早期階段。

今天的以太坊

在深入研究 zkEVM 的復(fù)雜性之前，首先要從高層次理解交易是如何包含在以太坊區(qū)塊中的。

區(qū)塊產(chǎn)生

當(dāng)用戶(hù)向以太坊提交新交易時(shí)，連接到網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)(也稱(chēng)為節(jié)點(diǎn))將交易存儲(chǔ)在稱(chēng)為內(nèi)存池的本地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。內(nèi)存池負(fù)責(zé)維護(hù)未確認(rèn)交易的列表，然后隨機(jī)選擇運(yùn)行節(jié)點(diǎn)和抵押 32 ETH 的驗(yàn)證者，通過(guò)它們將內(nèi)存池中的交易批量處理成塊。選擇將新區(qū)塊添加到以太坊區(qū)塊鏈的驗(yàn)證者有時(shí)被稱(chēng)為「提議者」。為了從最大可提取價(jià)值 MEV 中獲得額外獎(jiǎng)勵(lì)，一些提議者在構(gòu)建區(qū)塊時(shí)將依賴(lài)第三方區(qū)塊構(gòu)建器而不是本地內(nèi)存池。

區(qū)塊按順序排列，并通過(guò)父塊(前一個(gè)區(qū)塊頭)鏈接在一起。每個(gè)區(qū)塊都包含其父塊的哈希值，并通過(guò)將區(qū)塊鏈接在一起形成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)父塊哈希鏈接塊如下圖所示：

在 2022 年 9 月 15 日之前，以太坊依賴(lài)工作量證明 PoW 共識(shí)機(jī)制，礦工代替驗(yàn)證者負(fù)責(zé)區(qū)塊生產(chǎn)，礦工無(wú)需抵押大量資本，而是需要消耗大量電力來(lái)處理用戶(hù)交易。

在 PoW 和 PoS 共識(shí)協(xié)議下，以太坊區(qū)塊鏈缺乏可擴(kuò)展性的根源在于有限的區(qū)塊空間。區(qū)塊空間在以太坊上以 Gas 為限制單位。需要更多計(jì)算工作才能執(zhí)行的交易通常以較高的 Gas 單位定價(jià)，而具有較低計(jì)算成本（即較少資源密集型）的交易具有較低的 Gas 成本。Gas 通過(guò)以太坊網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)設(shè)置稱(chēng)為基本費(fèi)用的動(dòng)態(tài) Gas 費(fèi)率轉(zhuǎn)換為 ETH。以太坊協(xié)議限制了區(qū)塊空間，它們最多只能包含 3000 萬(wàn)單位的 Gas。這個(gè)最大區(qū)塊 gas 限制確保了快速的區(qū)塊傳播時(shí)間并降低了硬分叉的風(fēng)險(xiǎn)。

以太坊虛擬機(jī)

一旦交易被包含在以太坊上的一個(gè)區(qū)塊中，它們就會(huì)通過(guò)稱(chēng)為以太坊虛擬機(jī) (EVM) 的自定義運(yùn)行環(huán)境執(zhí)行。EVM 旨在在以太坊上部署任意復(fù)雜度的代碼，這是使以太坊成為通用區(qū)塊鏈的根本，有時(shí)也稱(chēng)為圖靈完備系統(tǒng)。

EVM 執(zhí)行交易的方式存在一定規(guī)則。首先，EVM 將人類(lèi)可讀的編程語(yǔ)言（如 Solidity 和 Yul）編譯為面向機(jī)器或「低級(jí)」語(yǔ)言，稱(chēng)為 EVM 字節(jié)碼。然后，EVM 將字節(jié)碼解析為稱(chēng)為「操作碼」的順序指令列表。每個(gè)操作碼命令 EVM 執(zhí)行不同的任務(wù)，并以十六進(jìn)制形式在 EVM 字節(jié)碼中表示。例如，在鏈上執(zhí)行智能合約時(shí)命令 EVM 保留瞬態(tài)數(shù)據(jù)的操作碼以助記符表示為「MSTORE」，或以十六進(jìn)制形式表示為「0x52」。為了幫助讀者概念化操作碼，以下是以太坊黃皮書(shū)中定義的簡(jiǎn)單操作碼：

多年來(lái)，以太坊開(kāi)發(fā)人員向 EVM 不斷添加新的操作碼，他們還添加了預(yù)編譯，使用戶(hù)能夠在網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行更高級(jí)的操作，例如哈希函數(shù)和標(biāo)量乘法。作為同類(lèi)中的第一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，EVM 已被廣泛用作通用公共區(qū)塊鏈上智能合約部署的標(biāo)準(zhǔn)。然而，作為同類(lèi)技術(shù)中的第一項(xiàng)，EVM 確實(shí)存在設(shè)計(jì)限制，其中與本報(bào)告最相關(guān)的是 EVM 缺乏與 ZKP 的兼容性。

Rollups

為了提高以太坊的可擴(kuò)展性，有一些 L2 網(wǎng)絡(luò)將交易執(zhí)行從基礎(chǔ)層抽象到 Rollups。Rollups 壓縮交易數(shù)據(jù)，使得將一批交易提交到基礎(chǔ)層所需的區(qū)塊空間量明顯低于通過(guò)鏈上的內(nèi)存池單獨(dú)確認(rèn)這些交易所需要的區(qū)塊空間。Rollups 由被稱(chēng)為「排序器」的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)，而不是驗(yàn)證者或礦工。排序器負(fù)責(zé)驗(yàn)證 Rollups 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。它們是將用戶(hù)交易打包成一個(gè) Rollups 批次，然后將這批交易的證明提交給以太坊基礎(chǔ)層的實(shí)體。下圖說(shuō)明了排序器在 Rollups 中的作用：

Rollups 不同于以太坊上的其他擴(kuò)展解決方案，例如 Plasma 和狀態(tài)通道。在以太坊的歷史進(jìn)程中，核心開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)研究并廢棄了以太坊的可擴(kuò)展性路線(xiàn)圖。Rollups 有兩種主要類(lèi)型：Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。Optimistic Rollups 依賴(lài)于欺詐證明，這意味著 L2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更改會(huì)在沒(méi)有直接證明其有效性的情況下部署到以太坊。只要至少有一個(gè)誠(chéng)實(shí)參與者在觀察 Optimistic Rollup 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，就可以檢測(cè)并取消無(wú)效的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。就 Arbitrum 和 Optimism 而言，可以提交欺詐證明的「挑戰(zhàn)窗口」持續(xù)一周。一旦挑戰(zhàn)窗口結(jié)束，optimistic Rollup 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換就被認(rèn)為是最終的和有效的。

另一方面，ZK Rollups 依賴(lài)于 ZKP，每次在 L2 上處理交易批次時(shí)，ZKP 都會(huì)生成有效性證明，并發(fā)布到以太坊。自動(dòng)生成所有交易批次的有效性證明同時(shí)也增加了 ZK Rollup 的安全保障。這也意味著每次向以太坊提交新的有效性證明時(shí)都可以從 ZK Rollups 中提取資金，而對(duì)于 optimistic Rollups 來(lái)說(shuō)，為了允許爭(zhēng)議和欺詐證明的生成，通常需要大約 7 天的等待期。ZK Rollups 還提供了比 optimistic Rollups 更好用的數(shù)據(jù)壓縮功能。下表總結(jié)了 optimistic 和 ZK Rollup 之間的差異：

Optimistic Rollup 相對(duì)于 ZK Rollups 的主要優(yōu)勢(shì)是 Optimistic Rollup 的虛擬機(jī)與 EVM 的虛擬機(jī)幾乎相同。目前在以太坊上運(yùn)行的 Optimistic Rollup 實(shí)現(xiàn)，如 Optimism 和 Arbitrum，模擬了與以太坊相同的交易執(zhí)行環(huán)境，分別稱(chēng)為 OVM 和 AVM。大多數(shù) ZK Rollups 都是為某些應(yīng)用程序特定的，這意味著它們不支持所有類(lèi)型的基于以太坊的交易和 DApp。Loopring、StarkEx Rollups 和 zkSync 1.0 是特定應(yīng)用程序 ZK Rollups 的示例，它們支持特定類(lèi)型的支付、代幣交易和 NFT 鑄幣。

StarkNet 等某些 ZK Rollups 是通用的，這意味著它們支持所有類(lèi)型的交易和 DApp。然而，這些 ZK Rollup 要求 DApp 開(kāi)發(fā)人員學(xué)習(xí)如何在新的自定義執(zhí)行環(huán)境中執(zhí)行他們的智能合約代碼，通常該環(huán)境針對(duì)生成 ZKP 而優(yōu)化，而不是 EVM 兼容性。鑒于現(xiàn)有的去中心化應(yīng)用程序和用戶(hù)難以加入新的執(zhí)行環(huán)境，這對(duì)在以太坊上采用 ZK Rollups 提出了挑戰(zhàn)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，Polygon Hermez、zkSync 和 Scroll 等 ZK Rollups 項(xiàng)目正在致力于實(shí)現(xiàn)與 EVM 兼容的 ZK Rollups，另外，EVM 是以太坊上所有智能合約代碼的原生執(zhí)行環(huán)境。

STARKs、SNARKs、Volitions and Validiums

在實(shí)踐中，Rollups 不僅根據(jù)鏈上發(fā)布的證明類(lèi)型(optimistic Rollup 中的欺詐證明或 ZK Rollups 中的有效性證明)進(jìn)行區(qū)分，還根據(jù) Rollups 的數(shù)據(jù)可用性策略和證明算法進(jìn)行區(qū)分。

目前存在兩大類(lèi)有效性證明，稱(chēng)為 SNARKs 和 STARKs。

• SNARKs 依靠橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)，一種在比特幣和以太坊中最常用的數(shù)據(jù)加密技術(shù)。SNARKs 通常還依賴(lài)于可信設(shè)置，這意味著該算法需要由可信實(shí)體提前生成一段數(shù)據(jù)?？尚旁O(shè)置并不是重復(fù)的事件，而是一個(gè)人或一群人生成核心數(shù)據(jù)的一次性過(guò)程。此數(shù)據(jù)稱(chēng)為公共參考字符串 (CRS)，它是一個(gè)在 zk-SNARK 算法中用于生成可信賴(lài)的證明的數(shù)值。如果生成 CRS 所需的輸入受到損害，那么可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的證明生成。因此，重要的是所有可信設(shè)置參與者需銷(xiāo)毀用于生成 CRS/SRS 的輸入，或者在儀式完成后使其無(wú)法恢復(fù)。
• STARKs 不依賴(lài)于橢圓曲線(xiàn)或可信設(shè)置。STARKs 依賴(lài)哈希函數(shù)，一些開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為哈希函數(shù)有利于對(duì)抗量子加密。然而，STARKs 更復(fù)雜，它需要更多的計(jì)算資源才能運(yùn)行。它在 2018 年被推出，晚于 SNARKs，而 SNARKs 自 2012 年以來(lái)一直存在。由于這些原因，SNARKs 比 STARKs 被更廣泛地使用?；?STARKs 的算法的一些示例包括 Fractal、SuperSonic、Fri-STARKs 和 genSTARK。

除了生成有效性證明的不同方法外，ZK Rollups 的數(shù)據(jù)可用性策略也不同。數(shù)據(jù)可用性策略將決定交易批次的哪些組件最終發(fā)布在鏈上。Rollups，包括 Optimistic 和 ZK，通常在每次處理一批交易時(shí)將三份數(shù)據(jù)提交到主網(wǎng)以太坊。首先，Rollups 的驗(yàn)證者將新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的根哈希提交給以太坊。(狀態(tài)是指 L2 上交易和賬戶(hù)余額的更新記錄。)狀態(tài)記錄在一個(gè) Merkle 樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，如下圖：

根哈希是整個(gè) Merkle 樹(shù)的密碼承諾，有時(shí)也稱(chēng)為狀態(tài)承諾。雖然并不要求所有 ZK Rollup 都將根哈希提交給以太坊，但為了使發(fā)布在以太坊上的數(shù)據(jù)能夠輕松重建和驗(yàn)證在 Rollup 上執(zhí)行的交易，他們通常會(huì)這么做。

除了用于確認(rèn) L2 區(qū)塊鏈新?tīng)顟B(tài)的高級(jí)根哈希之外，以太坊上還記錄了加密證明。在如果是 Optimistic Rollup 的情況下，此證明可以是 ZKP 或欺詐證明。它可以通過(guò) STARKs 或 SNARKs 算法生成。最后，除了這兩條數(shù)據(jù)之外，ZK Rollups 還向以太坊發(fā)布了處理交易批次的壓縮版本，也稱(chēng)為 State delta。State delta 是一種將大量交易數(shù)據(jù)以經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)提交到以太坊的方式，這是 ZK Rollups 獨(dú)有的。Optimistic Rollups 是使用其他數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來(lái)批量處理事務(wù)并將它們提交到鏈上。

此外，某些 ZK Rollups 項(xiàng)目，例如 Scroll 團(tuán)隊(duì)，實(shí)際上并不依賴(lài)于將 State delta 發(fā)布到以太坊來(lái)獲得額外的數(shù)據(jù)壓縮收益。Scroll 開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為即將到來(lái)的代碼更改，例如以太坊改進(jìn)提案 EIP-4844 和 danksharding 將顯著降低將交易數(shù)據(jù)提交給以太坊的成本，這樣 State delta 相對(duì)于其他數(shù)據(jù)壓縮技巧的效率提升可以忽略不計(jì)。

Rollups 使用來(lái)自 Merkle 樹(shù)最低層的數(shù)據(jù)，并將其與來(lái)自 Merkle 樹(shù)最高層(根)的根分布式相結(jié)合，能夠允許任何人重建和驗(yàn)證在鏈上提交的交易批次的內(nèi)容。大多數(shù) Rollups 的一個(gè)決定性特征是能夠使用鏈上提交給以太坊的數(shù)據(jù)重新創(chuàng)建在 L2 網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行的交易。然而，某些 Rollups 避免將 State delta 或其他壓縮交易數(shù)據(jù)提交給以太坊，而是將數(shù)據(jù)發(fā)布到其他地方以降低運(yùn)營(yíng)成本并提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。某些開(kāi)發(fā)人員會(huì)爭(zhēng)辯說(shuō)，避免將交易數(shù)據(jù)提交給以太坊并因此破壞交易重建保證的 L2 網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)歸類(lèi)為 Rollups。

Rollup 處理 State delta 的方式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)是可以歸類(lèi)為 Validium 還是 Volition。

• Validium 可以被理解為 Rollups，它僅在鏈上提交有效性證明和根哈希，同時(shí)將 State delta 存儲(chǔ)在鏈下的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)上。因?yàn)? Rollups 不再依賴(lài)以太坊的數(shù)據(jù)可用性和受網(wǎng)絡(luò)塊空間的限制，這在理論上可以將 Rollups 的交易吞吐量提高到 9,000 TPS。Validiums 的缺點(diǎn)是安全性，用于發(fā)布鏈下數(shù)據(jù)的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不具有與以太坊相同的安全保證。
• Volitions 是將在鏈下或鏈上發(fā)布 State delta 的決定留給用戶(hù)，由以太坊擴(kuò)展初創(chuàng)公司 Starkware 開(kāi)創(chuàng)。這是一種新穎的方式，通過(guò)直接在鏈上向以太坊或 Starkware 可信數(shù)據(jù)可用性委員會(huì) (DAC) 等鏈下網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)，讓用戶(hù)決定他們的交易是否需要增強(qiáng)的安全性，但成本可能更高。

EVM 等效的 4 個(gè)主要級(jí)別

上述內(nèi)容幫助理解以太坊上交易執(zhí)行的整體框架、EVM 和 ZK Rollups，現(xiàn)在討論 zkEVMs。

zkEVM 是一種 ZK Rollup，它可以模仿與主網(wǎng)以太坊相同的交易執(zhí)行環(huán)境。zkEVM 的實(shí)現(xiàn)在證明算法和數(shù)據(jù)可用性策略上有所不同，另外 zkEVM 的 EVM 等效級(jí)別也不同。EVM 等效性有四個(gè)主要級(jí)別。以下是不同級(jí)別的摘要：

語(yǔ)言水平等效

為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言級(jí)別的 EVM 等效性，zkEVM 必須能夠理解并本地編譯 EVM 友好的語(yǔ)言。換句話(huà)說(shuō)，這些類(lèi)型的 zkEVM 可以將 EVM 友好編程語(yǔ)言(如 Solidity 或 Yul)翻譯成一種為生成 ZKP 而優(yōu)化的定制語(yǔ)言。這被認(rèn)為是在 ZK-Rollups 中實(shí)現(xiàn) EVM 兼容性的最簡(jiǎn)單和最有效的方法之一。然而，這些類(lèi)型的 zkEVM 在為用戶(hù)和智能合約開(kāi)發(fā)人員提供與 EVM 交互相同的體驗(yàn)方面最受限制。

與 EVM 的語(yǔ)言級(jí)兼容性意味著需要通過(guò)編譯器運(yùn)行 Solidity，該編譯器將 EVM 的高級(jí)編程語(yǔ)言翻譯成定制的低級(jí)語(yǔ)言，由專(zhuān)為生成 ZKP 而設(shè)計(jì)的虛擬機(jī)解釋。對(duì)于大多數(shù)只關(guān)心通過(guò) Solidity 代碼與 EVM 交互的以太坊用戶(hù)和智能合約開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，zkEVM 的底層行為可能并不重要，只要可以通過(guò) zkEVM 執(zhí)行與以太坊主網(wǎng)上相同類(lèi)型的代碼即可。另一方面，為 EVM 構(gòu)建的復(fù)雜開(kāi)發(fā)工具、框架和測(cè)試環(huán)境可能需要修改才能在僅具有語(yǔ)言級(jí) EVM 兼容性的 zkEVM 上使用。

字節(jié)碼級(jí)等效

EVM 等價(jià)的第二個(gè)和第三個(gè)級(jí)別是字節(jié)碼級(jí)別，這需要 ZK Rollups 才能解釋從更高級(jí)語(yǔ)言(例如 Solidity 或 Yul)編譯下來(lái)的 EVM 字節(jié)碼。zkEVM 可以模仿與 EVM 相同的高級(jí)編程語(yǔ)言和低級(jí)字節(jié)碼，從而實(shí)現(xiàn)與 EVM 更深層次的兼容性。這些類(lèi)型的 zkEVM 構(gòu)建起來(lái)更復(fù)雜，需要更高級(jí)的工程設(shè)計(jì)。

虛擬機(jī)執(zhí)行 EVM 字節(jié)碼的方式是通過(guò)稱(chēng)為操作碼的特定指令列表，每個(gè)操作碼命令 EVM 執(zhí)行不同的任務(wù)。字節(jié)碼兼容的 zkEVM 的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè) ZK 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以證明 EVM 字節(jié)碼并解析字節(jié)碼包含的各種操作碼。這些類(lèi)型 zkEVM 的優(yōu)勢(shì)在于它們與基于 EVM 的應(yīng)用程序和工具相互兼容。完全字節(jié)碼兼容的 zkEVM 將能夠支持與基于以太坊的原生應(yīng)用程序相同的調(diào)試工具和開(kāi)發(fā)人員基礎(chǔ)設(shè)施。然而，實(shí)現(xiàn)完全的字節(jié)碼兼容性通常會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建低效且昂貴的 ZK 系統(tǒng)，而降低成本，提高效率是不得不考慮的問(wèn)題。

目前，有兩種字節(jié)碼兼容的 zkEVM，包括 Polygon zkEVM 和 Scroll zkEVM。在他們當(dāng)前的設(shè)計(jì)中，這兩個(gè)僅實(shí)現(xiàn)部分兼容 EVM 字節(jié)碼，但是，隨著時(shí)間的推移，這些實(shí)現(xiàn)正朝著完全兼容的方向努力。

共識(shí)水平等效

EVM 等價(jià)的第四個(gè)也是最后一個(gè)級(jí)別是共識(shí)級(jí)別。這是 ZK Rollups 可以實(shí)現(xiàn)的對(duì) EVM 的最高原生兼容性。它有時(shí)被稱(chēng)為「enshrined Rollups 」，盡管并非所有 「enshrined Rollups 」 都需要基于 ZK，也可以是 Optimistic Rollups。這個(gè)想法是由 zkEVM 生成的加密證明不需要以任何身份在以太坊上重新執(zhí)行，證明本身可用于驗(yàn)證主網(wǎng)以太坊上生成的區(qū)塊。從某種意義上說(shuō)，實(shí)現(xiàn)共識(shí)級(jí)別兼容性的 zkEVM 是 zkEVM 的最真實(shí)形式。

對(duì)于一些開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)共識(shí)級(jí)別兼容性的 ZK Rollups 是唯一一種應(yīng)該稱(chēng)為 zkEVM 的 ZK Rollups，而其他具有語(yǔ)言和字節(jié)碼兼容性的 ZK Rollup 應(yīng)該分別被認(rèn)為是 EVM 兼容的和 EVM 等效的，但不是一個(gè) zkEVM。關(guān)于 zkEVM 的精確定義及其不同級(jí)別的 EVM 等價(jià)性，以太坊開(kāi)發(fā)人員之間存在大量爭(zhēng)議。事實(shí)上，EVM 等效是一個(gè)范圍，上面描述的每個(gè)層次都不是嚴(yán)格的類(lèi)別。zkEVM 開(kāi)發(fā)的早期性質(zhì)意味著為語(yǔ)言級(jí)別兼容性而構(gòu)建的項(xiàng)目也可能提供某種類(lèi)型的字節(jié)碼級(jí)別兼容性，而字節(jié)碼級(jí)別兼容的 zkEVM 最終可能會(huì)發(fā)展成為具有大量共識(shí)級(jí)別等價(jià)性的混合 Rollups。

以太坊上的 zkEVM 項(xiàng)目概覽

目前，還沒(méi)有實(shí)用性的 zkEVM 可以實(shí)現(xiàn)共識(shí)級(jí)別的兼容性，開(kāi)發(fā)者仍在不斷的研究和開(kāi)發(fā)，以太坊核心開(kāi)發(fā)人員將其描述為「多年工程努力」。有些 zkEVM 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在語(yǔ)言和字節(jié)碼級(jí)別上的等效，為以太坊上當(dāng)前主要以應(yīng)用程序?yàn)橹行牡?ZK Rollup Layer 2 生態(tài)系統(tǒng)提供了改進(jìn)思路。構(gòu)建 ZK Rollup 來(lái)執(zhí)行一般的智能合約和用戶(hù)交易而不是以應(yīng)用程序?yàn)橹行牡慕灰资且豁?xiàng)艱巨的任務(wù)，到目前為止，只有少數(shù)項(xiàng)目在主網(wǎng)上成功啟動(dòng)。

以下是以太坊上五個(gè) zkEVM 項(xiàng)目的概述：

zkSync 2.0

區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì) Matter Labs 成立于 2018 年 12 月，2020 年 6 月曾在以太坊上推出了他們自己的 ZK Rollups 協(xié)議，稱(chēng)為 zkSync 。按總鎖倉(cāng)價(jià)值，zkSync 是以太坊上第 6 大 L2 網(wǎng)絡(luò)，支持有限范圍的智能合約操作，包括 ETH、ERC20 代幣和原生 NFT 的低 Gas 傳輸，以及原子互換和限價(jià)訂單。該公司最近通過(guò)由 Andreessen Horowitz 牽頭的 B 輪融資籌集了 5000 萬(wàn)美元，并宣布了一項(xiàng) 2 億美元的國(guó)庫(kù)基金，致力于在未來(lái)幾年擴(kuò)展 zkSync 生態(tài)系統(tǒng)。

zkSync 2.0 是一種語(yǔ)言級(jí)兼容的 zkEVM，旨在支持所有類(lèi)型的智能合約操作。zkSync 2.0 依賴(lài)于稱(chēng)為 UltraPLONK 的基于 SNARKs 的證明算法。此外它還依賴(lài)于稱(chēng)為 LLVM 的開(kāi)源編譯器基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò) LLVM 可以將 Solidity 和其他類(lèi)型的編程語(yǔ)言編譯成 zkEVM 字節(jié)碼。該項(xiàng)目將于 2022 年 10 月開(kāi)始「baby alpha」階段，預(yù)計(jì)到 2022 年底將對(duì)外部用戶(hù)完全開(kāi)放，但 Matter Labs 團(tuán)隊(duì)仍未披露 zkSync 2.0 證明生成的全部細(xì)節(jié)。由于 L2 網(wǎng)絡(luò)之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，以及由于 Rollup 技術(shù)的初期階段導(dǎo)致了更大的技術(shù)漏洞風(fēng)險(xiǎn)，大多數(shù) Rollups 項(xiàng)目都在高度保密的情況下運(yùn)行，并不支持開(kāi)源。一旦成功啟動(dòng)，zkSync 2.0 將是一種可以讓用戶(hù)可以選擇將 State delta 從他們的鏈下交易發(fā)布到一個(gè)稱(chēng)為 zkPorter 的單獨(dú)協(xié)議，而不再需要在鏈上發(fā)布到以太坊。該策略理論上會(huì)將 zkSync 2.0 的每秒交易吞吐量從 2,000 TPS 提高到超過(guò) 20,000 TPS。

StarkNet

與 zkSync 一樣，StarkNet 是 Starkware 團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的已經(jīng)在以太坊上運(yùn)行的通用 ZK Rollup。Starknet 的交易執(zhí)行環(huán)境稱(chēng)為 StarkNet OS，其原生智能合約編程語(yǔ)言稱(chēng)為 Cairo。與其他 ZK Rollups 相比，Starknet 是功能最全面的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之一。StarkNet 為用戶(hù)提供了一個(gè)可選的鏈下數(shù)據(jù)解決方案，以實(shí)現(xiàn)比非 Volitions 類(lèi)型的 Rollups 成倍降低的交易費(fèi)用。StarkNet 操作系統(tǒng)依賴(lài)于基于 STARKs 的證明算法。與 zkSync 2.0 一樣，在 StarkNet OS 上生成證明的過(guò)程不是開(kāi)源的。與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 zkSync 類(lèi)似，隨著時(shí)間的推移，圍繞證明生成的細(xì)節(jié)將會(huì)逐漸開(kāi)源，以便任何人都可以通過(guò)專(zhuān)用線(xiàn)路連接到網(wǎng)絡(luò)。

StarkNet 本身不支持與 EVM 的語(yǔ)言級(jí)兼容性，但是以太坊執(zhí)行層軟件客戶(hù)端 Nethermind 背后的團(tuán)隊(duì)正在積極構(gòu)建名為 Warp 的 Solidity to Cairo 語(yǔ)言編譯器。使用 Warp 編譯器，StarkNet 用戶(hù)可以部署基于以太坊的智能合約，而無(wú)需再用 Cairo 重寫(xiě)代碼。此外，還有一個(gè)名為 Kakarot 的社區(qū)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目，用于構(gòu)建另一個(gè) Solidity 到 Cairo 語(yǔ)言的編譯器，以幫助支持 StarkNet 與 EVM 的兼容性。

Starkware 團(tuán)隊(duì)在 7 月公布了原生 StarkNet 代幣和新基金會(huì)計(jì)劃。在透露初始 100 億供應(yīng)量的三分之一將分配給 StarkNet 核心貢獻(xiàn)者后，代幣的分配方案成為爭(zhēng)議的根源。今年 Starkware 以 80 億美元的估值籌集了 1 億美元。該輪融資由投資公司 Greenoaks Capital、Coatue 和 Tiger Global 領(lǐng)投。除了 StarkNet 之外，StarkWare 還為用戶(hù)提供了一種可定制的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性解決方案，稱(chēng)為 StarkEx。該解決方案利用了基于 STARK 的 ZK 新技術(shù)。與 StarkNet 不同，StarkEx 是一個(gè)以應(yīng)用程序?yàn)橹行牡?ZK Rollup。使用 StarkEx 在以太坊上實(shí)現(xiàn)更大可擴(kuò)展性的一些值得注意的 DeFi 應(yīng)用程序包括 soRare、Immutable 和 DeversiFi。

Polygon zkEVM

Polygon 團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的 zkEVM (以前稱(chēng)為 Matic Network)實(shí)現(xiàn)了與 EVM 的字節(jié)碼級(jí)別兼容性。Polygon 的 zkEVM 預(yù)計(jì)將于 2023 年初的某個(gè)時(shí)候在以太坊上推出，并且最近已開(kāi)源，供公眾審查。當(dāng)然雖然代碼可以公開(kāi)查看，但不能使用、修改或共享，因?yàn)樗皇窃陂_(kāi)源代碼許可下發(fā)布的。Polygon 的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于基于 SNARKs 和 STARKs 的證明，具體來(lái)說(shuō)，zk-SNARKs 用于證明 zk-STARKs 的正確性，這具有利用與 zk-STARK 相關(guān)的快速證明時(shí)間以及生成 zk-SNARK 所需的相對(duì)較輕的計(jì)算資源的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于數(shù)據(jù)可用性問(wèn)題，Polygon 的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)不會(huì)立即支持鏈下數(shù)據(jù)解決方案，然而，Polygon 正積極致力于通過(guò)開(kāi)發(fā)可用性更高的應(yīng)用程序。

Polygon 成立于 2017 年，是一家主要專(zhuān)注于以太坊擴(kuò)展解決方案的公司。它于 2020 年 6 月推出了基于權(quán)益證明的以太坊側(cè)鏈，稱(chēng)為 Polygon PoS。之后，Polygon 的產(chǎn)品插件得到了顯著發(fā)展，變得更加多樣化。除了 zkEVM 實(shí)現(xiàn)方式之外，Polygon 還在積極開(kāi)發(fā)另外兩個(gè) ZK Rollups 實(shí)施，即 Polygon Miden 和 Polygon Zero。它們是結(jié)合了 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup 的混合 Rollups 實(shí)施，稱(chēng)為 Polygon Nightfall。今年早些時(shí)候，Polygon 團(tuán)隊(duì)完成了自首次代幣發(fā)行以來(lái)的第一輪重大融資，并從 40 家風(fēng)險(xiǎn)投資公司籌集了 4.5 億美元，由紅杉資本印度領(lǐng)投。

Scroll

Scroll 是另一個(gè)字節(jié)碼級(jí)別兼容的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)。Scroll 由 Sandy Peng、Ye Zhang 和 Haichen Shen 于 2021 年創(chuàng)立， 2022 年宣布為白名單用戶(hù)推出他們的 pre-alpha 版本測(cè)試網(wǎng)。值得注意的是，圍繞其 zkEVM 實(shí)現(xiàn)的所有代碼都是公開(kāi)的，并在開(kāi)源許可下發(fā)布。Scroll 將依賴(lài)于一種基于 SNARKs 的證明算法，并且不支持鏈下數(shù)據(jù)可用性解決方案。此外，Scroll 團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一個(gè)用于證明生成的去中心化市場(chǎng)，以支持他們的 zkEVM。為了無(wú)需許可和抗審查的方式生成 ZKP，他們還專(zhuān)注于構(gòu)建可以由世界各地的用戶(hù)運(yùn)行的專(zhuān)用硬件設(shè)施。

Scroll 團(tuán)隊(duì)與以太坊基金會(huì)的擴(kuò)容解決方案研發(fā)團(tuán)隊(duì)密切合作，其被稱(chēng)為隱私擴(kuò)容以太坊 (PSE) 團(tuán)隊(duì)。與 zkSync、StarkWare 和 Polygon 等其他團(tuán)隊(duì)相比，Scroll 規(guī)模較小，并且更專(zhuān)注于研究，商業(yè)屬性較輕。他們只專(zhuān)注于他們的 zkEVM 實(shí)施，而其他競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)擁有一套其他與 ZK 相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)。Scroll 今年在 A 輪融資中籌集了 3000 萬(wàn)美元，投資方包括 Polychain Capital 和 Bain Capital Crypto 等領(lǐng)先的加密貨幣風(fēng)險(xiǎn)投資公司，以及包括以太坊基金會(huì)的 Ying Tong 和 Carlos Aria 在內(nèi)的幾位天使投資人。

Privacy & Scaling Explorations (PSE)

PSE 是以太坊基金會(huì)的一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，專(zhuān)注于探索 ZKP 的前沿研究及其在以太坊上的應(yīng)用。他們以前被稱(chēng)為「AppliedZKP」小組。與本報(bào)告中強(qiáng)調(diào)的其他 zkEVM 實(shí)施相比，PSE 的 zkEVM 并不專(zhuān)注于在不久的將來(lái)滿(mǎn)足大規(guī)模使用(PSE 研究的實(shí)用性組件正在由 Scroll 團(tuán)隊(duì)實(shí)施)。PSE 正在研究的 zkEVM 專(zhuān)注于根據(jù)「enshined Rollup」模型，實(shí)現(xiàn)與 EVM 的共識(shí)級(jí)兼容性。

PSE 研究中使用的證明算法是稱(chēng)為 Halo2 的 zk-SNARK ，它由 Zcash (ZEC) 加密貨幣的核心開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì) Electric Coin Company 開(kāi)發(fā)。PSE 團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的 zkEVM 實(shí)施是開(kāi)源的，任何人都可以參與。除了 zkEVM，PSE 團(tuán)隊(duì)還在推進(jìn)其他幾個(gè)項(xiàng)目，包括研究反共謀去中心化應(yīng)用程序基礎(chǔ)設(shè)施、增強(qiáng)用戶(hù)交易隱私以及替代加密簽名方案。

構(gòu)建 zkEVM 的挑戰(zhàn)

在以太坊上構(gòu)建生產(chǎn)就緒的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)還存在一些持續(xù)的挑戰(zhàn)。實(shí)施 zkEVM 等新技術(shù)、zkEVM 的去中心化操作以及構(gòu)建用于生成 zkEVM 證明的專(zhuān)用硬件，這些未經(jīng)證實(shí)和測(cè)試的性質(zhì)是開(kāi)發(fā)人員面臨的主要障礙。本節(jié)討論對(duì)這些挑戰(zhàn)的一些見(jiàn)解。

新領(lǐng)域

zkEVM 是以太坊上的一個(gè)新概念，從 2022 年才正式開(kāi)始運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)面臨的一個(gè)簡(jiǎn)單挑戰(zhàn)是其未經(jīng)證實(shí)和大規(guī)模測(cè)試的性質(zhì)。大多數(shù) zkEVM 實(shí)現(xiàn)在生成證明的方式、生成證明的硬件要求以及去中心化定序器的細(xì)節(jié)方面仍然存在大量未知因素。建立對(duì) zkEVM 作為可靠的擴(kuò)展性解決方案的信任是 Scroll、Polygon、StarkNet 和 zkSync 等團(tuán)隊(duì)關(guān)注的一個(gè)重要領(lǐng)域。

去中心化的挑戰(zhàn)

圍繞去 zkEVM 操作去中心化路徑的問(wèn)題適用于所有 Rollup(包括 Optimistic Rollups)，因?yàn)橛行院推墼p證明的生成在很大程度上取決于中心化排序器。如上所述，定序器是 L2 利益相關(guān)者，負(fù)責(zé)批處理用戶(hù)交易并將這些批次的證明提交給以太坊 L1。

目前以太坊上運(yùn)行的每個(gè) Rollup 都由中心化排序器操作，并依賴(lài)于由單個(gè)實(shí)體管理的可升級(jí)智能合約。今天 Rollup 中心化性質(zhì)的一個(gè)主要原因是：在技術(shù)初期，代碼中出現(xiàn)意外錯(cuò)誤時(shí)需要快速修復(fù)。此外，尤其是 zkEVM 背后的技術(shù)在不斷變化，因此很難自信地激勵(lì)用戶(hù)在自己的設(shè)備上運(yùn)行這項(xiàng)新興技術(shù)。為 Rollup 實(shí)現(xiàn)去中心化排序器通常意味著要啟動(dòng)一個(gè)代幣，并創(chuàng)建一個(gè)共識(shí)協(xié)議，以一種無(wú)需許可的方式組織多個(gè)排序器和證明者。雖然啟動(dòng)代幣和創(chuàng)建共識(shí)協(xié)議對(duì)公共區(qū)塊鏈來(lái)說(shuō)并不新鮮，但也需要時(shí)間和深思熟慮才能負(fù)責(zé)任地啟動(dòng)。StarkWare 的代幣計(jì)劃就因供應(yīng)設(shè)計(jì)和初始分配引起了爭(zhēng)議，Polygon 也預(yù)計(jì)將在其 zkEVM 推出后改進(jìn)當(dāng)前的代幣經(jīng)濟(jì)學(xué)。zkSync 有望在未來(lái)幾個(gè)月為其 Rollup 推出代幣，而 Scroll 的代幣計(jì)劃仍不明朗。

當(dāng)前 zkEVM 的背景下，排序器去中心化重要的第一步是開(kāi)源項(xiàng)目軟件，在撰寫(xiě)本文時(shí)很少有人這樣做。在去中心化 zkEVM 操作方面，已經(jīng)擁有大量用戶(hù)的 Rollup zkEVM 實(shí)現(xiàn)可能具有優(yōu)勢(shì)。

zkEVM 硬件挑戰(zhàn)

雖然 zkEVM 證明驗(yàn)證起來(lái)很簡(jiǎn)單，但生成它們需要大量計(jì)算，部分原因是 ZKP 背后的數(shù)學(xué)依賴(lài)于線(xiàn)性計(jì)算序列。這使得并行化工作在機(jī)器上生成證明變得困難。最近使用遞歸證明在這方面取得了進(jìn)展。遞歸證明是一種減少證明生成延遲的技術(shù)，它指的是重復(fù)生成證明的證明以進(jìn)一步壓縮交易，從而可以并行處理 ZK Rollup 上的小批量交易。這是 StarkNet VM 和 Polygon 的 zkEVM 用于生成有效性證明的技術(shù)。

由于生成 ZKP 需要密集計(jì)算，zkEVM 可能不得不依賴(lài)高級(jí)硬件，例如圖形處理單元 (GPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)，甚至專(zhuān)用集成電路 (ASIC)。需要專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)運(yùn)行必要的計(jì)算來(lái)生成證明，這與需要專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)根據(jù)工作量證明 (PoW) 共識(shí)協(xié)議有效地挖掘區(qū)塊沒(méi)有什么不同。這兩個(gè)硬件行業(yè)的增長(zhǎng)差異在于證明者與礦工的選擇過(guò)程。

證明者是負(fù)責(zé)生成有效性證明的網(wǎng)絡(luò)利益相關(guān)者。另一方面，定序器負(fù)責(zé)將用戶(hù)交易排序和打包成批次，并將數(shù)據(jù)提交到第 1 層區(qū)塊鏈。從技術(shù)上講，排序者和證明者的職責(zé)可以合并為一個(gè)角色。然而，因?yàn)樽C明生成和交易排序都需要高度專(zhuān)業(yè)化的技能才能有效執(zhí)行，所以拆分這些職責(zé)可以防止 Rollup 功能中不必要的中心化。

如果證明者和排序器的選擇過(guò)程類(lèi)似于礦工的選擇過(guò)程，依賴(lài)于達(dá)成中本聰共識(shí)并獎(jiǎng)勵(lì)最高效的硬件參與者，那么 ZKP“挖礦”行業(yè)就有可能沿著與比特幣挖礦相同的軌跡發(fā)展。然而，有幾個(gè)原因可以解釋為什么特定證明者的選擇過(guò)程更可能在設(shè)計(jì)上類(lèi)似于權(quán)益證明 (PoS) 而不是 PoW 共識(shí)。

首先，中本聰式的選擇過(guò)程意味著擁有最高效硬件的證明者將主導(dǎo)證明市場(chǎng)。為了避免證明者市場(chǎng)的壟斷，同時(shí)減少電能消耗，像 Scroll 這樣的項(xiàng)目正在尋找替代設(shè)計(jì)，這需要證明者將資產(chǎn)作為抵押品，這與以太坊驗(yàn)證者被要求抵押 32 ETH 的方式不同 。質(zhì)押模型的實(shí)施確保證明者可能因破壞網(wǎng)絡(luò)安全性和活躍性的行為而受到懲罰，例如未能為指定的一批交易計(jì)算有效性證明。

確定性地選擇證明者生成證明，而不是讓所有證明者競(jìng)爭(zhēng)生成證明的另一個(gè)好處是可以提高交易吞吐量和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。選擇證明者意味著幾個(gè)證明者可以并行地為不同批次的交易生成證明，而不是所有證明者都為同一批交易生成證明。然而，依賴(lài)于某種形式的質(zhì)押和懲罰的領(lǐng)導(dǎo)人選舉系統(tǒng)存在一個(gè)弱點(diǎn)：復(fù)雜性。與中本聰式的 PoW 系統(tǒng)相比，PoS 系統(tǒng)依靠更復(fù)雜的制衡設(shè)計(jì)來(lái)保持參與者的誠(chéng)實(shí)。例如，中本聰式的共識(shí)通常只需要參與者，即礦工，產(chǎn)生他們工作的證明來(lái)獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

大多數(shù) zkEVM 可能會(huì)嘗試通過(guò)選擇確定性(基于分配)而不是概率性(基于競(jìng)爭(zhēng))的無(wú)需許可的證明者選擇過(guò)程來(lái)盡量減少 Rollup 的用電量。以太坊聯(lián)合創(chuàng)始人 Vitalik Buterin 估計(jì)，計(jì)算 zkEVM 的有效性證明所需的電能不到用于開(kāi)采 ETH 的 1%。zkEVM 設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是盡可能減少證明時(shí)間，同時(shí)讓盡可能多的用戶(hù)可以經(jīng)濟(jì)地訪問(wèn)證明生成。實(shí)現(xiàn)共識(shí)級(jí)別兼容的 zkEVM 的要求之一是將證明生成時(shí)間減少到與以太坊 L1 的出塊時(shí)間(平均 13.5 秒)相當(dāng)。

只有當(dāng) zkEVM 背后的規(guī)范變得清晰和標(biāo)準(zhǔn)化后，ZKP 硬件制造商才能真正成長(zhǎng)和成熟。最后，預(yù)測(cè)有效性證明計(jì)算行業(yè)的用電量仍然很困難，除非 Rollups 采用并實(shí)施一種無(wú)需許可地選擇證明者和定序器的模型。

zkEVM 競(jìng)爭(zhēng)展望

短期內(nèi)，zkEVM 參與者正在競(jìng)爭(zhēng)成為第一個(gè)在主網(wǎng)上啟動(dòng)的項(xiàng)目。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，他們將在 EVM 兼容性水平(從語(yǔ)言到共識(shí)水平)和 VM 效率方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。一旦支持 zkEVM 的技術(shù)得到更廣泛的測(cè)試、使用和理解，zkEVM 很可能還必須與 optimistic Rollups 和其他 L2 可擴(kuò)展性解決方案競(jìng)爭(zhēng)以獲取用戶(hù)。

先發(fā)優(yōu)勢(shì)和后發(fā)優(yōu)勢(shì)

zkSync、Polygon 和 Scroll 團(tuán)隊(duì)的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)正競(jìng)相在主網(wǎng)上推出。更早啟動(dòng)主網(wǎng)可以在可吸引 DApp 開(kāi)發(fā)人員方面占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，鑒于 Rollup 之間互操作性和 DApp 可組合性的難度，這可能是一個(gè)特別重要優(yōu)勢(shì)。DApp 可組合性是指像積木一樣在 DApp 之上構(gòu)建 DApp 的能力，是以太坊去中心化金融 (DeFi) 生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)特別重要的特征，它使 DApp 開(kāi)發(fā)人員更有可能被已經(jīng)廣泛采用的 L1 或 L2 所吸引。

另一方面，由于 zkEVM 作為一項(xiàng)技術(shù)的新穎性，首批推出的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)不太可能針對(duì)以太坊 DApp 開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行最優(yōu)化。正如本報(bào)告中提到的，在字節(jié)碼級(jí)別和共識(shí)級(jí)別上與 EVM 完全兼容的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)尚未準(zhǔn)備好用于生產(chǎn)?？梢愿刂С忠蕴?DApp 部署的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)可能不會(huì)首先啟動(dòng)，擁有更多 EVM 等效的 zkEVM 具備后發(fā)優(yōu)勢(shì)。等效程度越深，zkEVM 開(kāi)發(fā)人員的進(jìn)入門(mén)檻就越低。換句話(huà)說(shuō)，2015 年以來(lái)一直是主要 DApp 執(zhí)行環(huán)境的 EVM 可以遷移的工具越多，zkEVM DApp 開(kāi)發(fā)人員的采用就順利。

通過(guò) EVM 等效性吸引 DApp 開(kāi)發(fā)人員是 zkEVM 實(shí)現(xiàn)之間第一個(gè)明顯的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，雖然 DApp 開(kāi)發(fā)人員采用的先發(fā)優(yōu)勢(shì)很強(qiáng)，但該技術(shù)還處于初期階段，因此仍有進(jìn)行重大迭代和改進(jìn)的空間來(lái)構(gòu)建一個(gè)生產(chǎn)就緒的 zkEVM。最終，這場(chǎng)游戲類(lèi)似于從零開(kāi)始的創(chuàng)新者困境：成為第一個(gè)并嘗試建立布局和社區(qū)更好，還是成為第二個(gè)并以更好的功能推翻先行者更好?

虛擬機(jī)設(shè)計(jì)

隨著時(shí)間的推移，zkEVM 的另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)和改進(jìn)領(lǐng)域是效率。如前所述，EVM 并未針對(duì) ZK 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建通用的 ZK Rollup 可以證明基于以太坊的智能合約和 DApps 需要大量開(kāi)銷(xiāo)。隨著時(shí)間的推移，為 SNARK 或 STARK 證明優(yōu)化的其他虛擬機(jī)設(shè)計(jì)可能會(huì)降低 EVM 兼容性，這是 Starkware 團(tuán)隊(duì)強(qiáng)烈持有的觀點(diǎn)。將 Solidity 編譯為 Cairo 的 Warp 工具和其他類(lèi)似工具都是社區(qū)驅(qū)動(dòng)的舉措，因?yàn)閮?nèi)部 StarkWare 團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于使 StarkNet 的虛擬機(jī)盡可能高效，而不是簡(jiǎn)單地與 EVM 兼容。

在以太坊上，值得注意的是，在不破壞 DApp 向后兼容性的情況下，EVM(以及關(guān)聯(lián)的 Solidity)不能被顯著改變或升級(jí)。自 EVM 于 2015 年發(fā)布以來(lái)，開(kāi)發(fā)人員對(duì) EVM 及其高級(jí)編程語(yǔ)言 Solidity 進(jìn)行了修補(bǔ)，以在較小的方面提高可用性和安全性。例如，在 2019 年以太坊伊斯坦布爾硬分叉升級(jí)期間，核心開(kāi)發(fā)人員向 EVM 添加了一個(gè)名為“CHAINID”的新操作碼，它將返回規(guī)范鏈的唯一標(biāo)識(shí)符。這是為了通過(guò)允許節(jié)點(diǎn)檢查 CHAINID 來(lái)防止升級(jí)的節(jié)點(diǎn)連接到未升級(jí)的節(jié)點(diǎn)，這是一種特別有用的升級(jí)，有助于防止“重放攻擊”。

以太坊核心開(kāi)發(fā)人員一直堅(jiān)稱(chēng)，以太坊的發(fā)展路線(xiàn)圖中仍將對(duì) EVM 進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí)。新的操作碼和預(yù)編譯可能會(huì)繼續(xù)添加到 EVM 中，這表明現(xiàn)有的 zkEVM 實(shí)現(xiàn)必須靈活地適應(yīng) EVM 中的變化。然而，即使有了這些改進(jìn)，Mina、Sui 和 Aptos 等 L1 區(qū)塊鏈仍然有機(jī)會(huì)嘗試不同的虛擬機(jī)和智能合約語(yǔ)言設(shè)計(jì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可能會(huì)使 EVM 過(guò)時(shí)。zkEVM 實(shí)現(xiàn)主要側(cè)重于在字節(jié)碼和共識(shí)級(jí)別與 EVM 的深度兼容性，長(zhǎng)期押注 EVM 在智能合約開(kāi)發(fā)中的相關(guān)性和主導(dǎo)地位。

Optimistic Rollups 到 ZK Rollups

最后，本報(bào)告中討論的五個(gè) zkEVM 實(shí)現(xiàn)打敗了 Optimism 或 Arbitrum 等 Optimistic Rollups，這并不是一個(gè)必然的結(jié)論。在技??術(shù)層面上，ZK Rollups 比 optimistic Rollups 更安全、更高效，并且有可能更具成本效益。但是，它們?cè)谧C明為 EVM 設(shè)計(jì)的通用計(jì)算方面的靈活性并未經(jīng)過(guò)測(cè)試和大規(guī)模部署。一旦 zkEVM 推出并且其背后的技術(shù)更加成熟和穩(wěn)健，基于欺詐證明的 Optimistic Rollup(例如 Optimism 和 Arbitrum)就有可能升級(jí)并過(guò)渡到生成有效性證明。此外，混合 Rollup 和多證明者系統(tǒng)使用欺詐證明樂(lè)觀驗(yàn)證用戶(hù)交易并間歇性地發(fā)布有效性證明。

隨著 zkEVM 背后的技術(shù)發(fā)展，逐漸加快有效性證明生成時(shí)間將是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，今天以太坊核心開(kāi)發(fā)人員如 Vitalik Buterin 和 L2 開(kāi)發(fā)人員如 Optimism 的 Kelvin Fichter 正在認(rèn)真討論這個(gè)問(wèn)題。

已經(jīng)在以太坊上推出的 Rollup 具備用戶(hù)群優(yōu)勢(shì)，理論上可以很容易地移植到 Rollup 的新升級(jí)版本，類(lèi)似于 2022 年推出的 Arbitrum Nitro。這可能是為什么 zkEVM 團(tuán)隊(duì)(不包括 Scroll)在他們主網(wǎng)啟動(dòng)和建立龐大的用戶(hù)群之前，對(duì)完全開(kāi)源他們的項(xiàng)目代幣猶豫不決的原因之一。隨著時(shí)間的推移，optimistic Rollups 到 ZK Rollups 的可升級(jí)性表明：競(jìng)爭(zhēng)不僅存在于 zkEVM 實(shí)現(xiàn)不之間，也存在于更廣泛的以太坊 L2 生態(tài)。

結(jié)論

市場(chǎng)近來(lái)對(duì) zkEVM 的興趣激增引發(fā)了幾個(gè)關(guān)于以太坊可擴(kuò)展性路線(xiàn)圖終局的問(wèn)題。在最真實(shí)的意義上，zkEVM(與 EVM 具有共識(shí)級(jí)別兼容性的 ZK Rollup)代表了對(duì) EVM 主導(dǎo)地位的長(zhǎng)期押注，同時(shí)也押注以太坊作為智能合約執(zhí)行的主要平臺(tái)。zkEVM 也是對(duì)以太坊可擴(kuò)展性路線(xiàn)圖的長(zhǎng)期押注，因?yàn)樗? Rollup 為中心將交易執(zhí)行抽象為 Rollup，而不是與共識(shí)和數(shù)據(jù)可用性相結(jié)合。

盡管今年宣布了幾個(gè)接近生產(chǎn)就緒的 zkEVM，但該技術(shù)仍處于起步階段。實(shí)現(xiàn)與 EVM 具有共識(shí)級(jí)別兼容性的 zkEVM 仍然是一項(xiàng)研究計(jì)劃，距離準(zhǔn)備好投入生產(chǎn)可能還需要數(shù)年時(shí)間。然而，僅在一年前，實(shí)現(xiàn)與 EVM 的字節(jié)碼級(jí)兼容性的 zkEVM，情況也是如此。Polygon、zkSync、StarkWare 和 Scroll 對(duì) zkEVM 實(shí)現(xiàn)的快速發(fā)展繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的界限，并且超出了預(yù)期。在以太坊主網(wǎng)上推出 Polygon zkEVM 和 zkSync 2.0 將是使用真實(shí)用戶(hù)和 DApp 活動(dòng)測(cè)試 zkEVM 的重要起點(diǎn)。

兩個(gè)生產(chǎn)就緒的 zkEVM 的可用性和可擴(kuò)展性可能不僅會(huì)顛覆 zkEVM 的競(jìng)爭(zhēng)格局，而且還會(huì)顛覆 Optimistic Rollups 和 L1 競(jìng)爭(zhēng)鏈的格局。如果 zkEVM 成功，Optimistic Rollups 將不得不轉(zhuǎn)換為 ZK Rollup 設(shè)計(jì)以保持長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。L1 競(jìng)爭(zhēng)鏈還必須在其虛擬機(jī)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新，以與可擴(kuò)展的 EVM 競(jìng)爭(zhēng)。關(guān)于 ZKP 在以太坊上的就緒性和適用性還有很多待證明，而生產(chǎn)就緒 zkEVM 的推出應(yīng)該被視為這項(xiàng)新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)格局的開(kāi)始。

zkEVM 的一些持續(xù)關(guān)注和發(fā)展領(lǐng)域包括它們的硬件設(shè)計(jì)和代幣經(jīng)濟(jì)學(xué)。用于生成 ZKP 的硬件環(huán)境以及哪種 Rollup 成功地去中心化證明生成仍有待觀察。這在很大程度上將歸結(jié)為各個(gè)團(tuán)隊(duì)的社區(qū)建設(shè)，以及這些 Rollup 中的任何一個(gè)能夠在多大程度上成功地吸引 DApps，尤其是 DeFi DApps 向其網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模遷移。這些發(fā)展領(lǐng)域需要時(shí)間和迭代才能逐漸走上正軌。然而，鑒于 zkEVM 試圖在以太坊上實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)性，以及它們對(duì)公共區(qū)塊鏈未來(lái)的廣泛潛在影響，這一進(jìn)展將受到以太坊利益相關(guān)者、研究人員、密碼學(xué)家和學(xué)者等的密切關(guān)注。

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