zkEVM (一) 架构简介
- blocksight
- 更新于 2022-04-24 09:13
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zkEVM旨在设计并实现一种解决方案，通过零知识证明来验证以太坊执行模块（通常指Layer2执行）。该项目目标是实现与以太坊EVM的100%兼容性。这是一个由社区贡献和拥有的开源项目，主要包含两个方面：zkRollup，Validity proofs（有效性证明）
zkevm 介绍
zkEVM旨在设计并实现一种解决方案，通过零知识证明来验证以太坊执行模块（通常指Layer2执行）。该项目目标是实现与以太坊EVM的100%兼容性。这是一个由社区贡献和拥有的开源项目，主要包含两个方面：
zkRollup
通过遵循以太坊规范, 构建一个解决方案，允许部署一个与以太坊生态系统兼容的layer2层网络，并将正确构建的新区块的零知识证明提交给layer1层智能合约，该智能合约验证此类证明（纳入并充当layer1共识层）。使用零知识证明来验证数据块，使客户能够比处理事务更快地验证事务，从而在可扩展性方面提供优势。
Validity proofs（有效性证明）
构建一个解决方案，允许从现有以太坊网络（如mainnet， 或者自己搭建的以太坊网络）生成块的零知识证明，并在同一类型网络的智能合约中发布它们。
通过使用零知识证明来验证块，light客户端可以快速同步多个低资源消耗的块，同时保证块的正确性，而不需要信任外部方（第三方）。
zkevm 架构
zkevm 中包含多个电路，每个电路都经过布局设计，使得能够构建自己的自定义约束（custom gate）。当电路遇到一些昂贵的或者不友好操作时，它们可以通过lookup 将一些约束放到其他电路。
电路之间的关系如下所示：
每个电路都使用了一些table，这里的table一般指lookup table。电路列表和tables 如下:
| Circuit | Table |
|---|---|
| EVM Circuit | |
| Bytecode Circuit | Bytecode Table |
| State Circuit | Rw Table |
| Block Circuit | Block Table |
| Tx Circuit | Tx Table |
| MPT Circuit | MPT Table |
| Keccak Circuit | Keccak Table |
| ECDSA Circuit | ECDSA Table |
- EVM Circuit: evm 执行电路
- Bytecode Circuit: 合约账户字节码电路
- State Circuit: 状态操作电路
- Tx Circuit: 交易电路
- MPT Circuit: MPT树电路
- Keccak Circuit : Keccak hash 电路
- ECDSA Circuit: ECDSA签名电路
最后，可以根据电路大小和维度组装起来。例如，我们可以通过使用不同的列来组合两个不同的电路，或者使用带有额外选择器（selector）的相同列来组合它们。
为了减少构建完整块的证明所需的时间和简化验证步骤，正在构建一个聚合电路，类似于zksync的proof aggregation 以压缩和验证图中所示的每个子电路证明。
lookup table在电路中的使用
在halo2中，lookup可以灵活配置。任何能够转换为“表达式(Epression)” 的东西都可以用作“item:Tuple[int，…]”或者“table:Set[Tuple[int，…]] ”
通过Lookup。可以约束表达式在table中。Expression包括任意偏移的Constant、Fixed、Advice或Instance列。
将多个电路用作Lookup表的动机是，EVM包含许多对电路不友好的操作，如随机读写数据访问、“错误”字段操作（secp256k1上的ECDSA）、传统哈希函数，如“keccak256”，等等。他们大都接受可变长度的输入。处理可变长输入对于电路来说有点麻烦！
这些昂贵（麻烦）的操作使得很难设计EVM电路来验证计算轨迹，因为每一步都可能包含上面提到的一些操作。因此，我们试图将这些昂贵（麻烦）的操作分离为具有更友好布局的单用途电路，并通过lookup来使用它们来彼此输入和输出，从而将一部分工作转移到更容易实现约束的特定电路中。
可以使用输入输出Lookup将工作转移的原因是，我们知道lookup table表配置了约束，以验证输入和输出是否存在某种关系。例如，我们让byte code电路保存一组元组（code_hash，index，opcode），每个<span> </span>code_hash都被验证为它所包含的操作码的keccak256摘要，然后在EVM电路中，我们可以通过查找字节码表，用（code_hash，program_counter）加载`opcode'。
然而，有一些属性我们只能通过查找来确保（最终只能证明所有查找的内容都是一个表的子集）。我们希望限制所有（查找到的）item的数量应该等于table的大小，这是EVM电路和状态电路所要求的，以防止在table中进行额外的恶意写入。在这种情况下（查找的项集精确定义了表），我们需要一些额外的约束来确保关系是正确的。一种简单的方法是计算状态电路中的所有“项”（最终是“表”的大小），并将其限制为等于EVM电路中计算的值。
小结
本文主要是开源的社区文档的翻译，略作修改。需要说明的是， 文档不断在更新，有些设计在代码实现中会有差别，还有一些电路未及时添加在图中，但是不太影响总体理解！
原文：https://appliedzkp.github.io/zkevm-docs/architecture.html
另外，由于zkevm使用halo2 proof system作为后端，所以文中有些术语来自halo2.
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