2023:L2 赛道爆发前夕,浅析各类 zkEVM

  • 0xRJ.eth
  • 更新于 2023-08-14 22:26
  • 阅读 1747

L2 赛道爆发前夕,浅析各类 zkEVM

阅读时间:16min

作者:0xRJ.eth

引言

预计于 2023 年秋冬实施的以太坊重大升级——坎昆升级(Cancun-Deneb Upgrade),核心目标是增强以太坊网络的可扩展性、安全性和可用性,同时极大程度降低二层网络的Gas费。因此,如若成功实施,将直接利好太坊二层扩容(L2 Rollups)生态,甚至有望带动整个 L2 赛道的爆发。

在 L2 扩容赛道中,具有极佳数据压缩性能的零知识证明扩容方案(ZK Rollups)已然被认为是以太坊的中长期核心方案。以太坊创始人 Vitalik 于 2022 年根据各家 ZK Rollups 与 EVM(Ethereum Virtual Machine)以太坊虚拟机的兼容性将其分为 4 种不同的类型,为 zkEVM 类型确立了基础标准。

这篇文章深受上述 Vitalik 的开创性分类标准的启发。经过一年的发展,该领域已取得重大进展。本文旨在以清晰的逻辑和简洁的语言,以 Vitalik 见解为基础,提供赛道更新和更详细的诠释(技术小白友好)。

什么是 EVM?

EVM(Ethereum Virtual Machine)以太坊虚拟机,是第一个图灵完备的区块链虚拟机。可以理解为是以太坊上的代码运行环境,专门用以执行部署在以太坊网络上的智能合约。通过 EVM,智能合约能够在去中心化网络上实现自动化的功能。

作为2015年发布的、迄今为止最久经考验的区块链虚拟机,EVM 绝对是以太坊非常重要的基础设施。甚至在评判其他区块链时, EVM 兼容与否已是一个重要的考量维度,因为 EVM 兼容的背后代表的不仅仅是智能合约执行环境、可用的以太坊工具集,更代表着巨大的网络效应和成熟复杂的生态。

不过,EVM 在设计之初,并未想象到有朝一日 ZK Rollup L2 会成为以太坊扩容的核心方案,因此 EVM 的设计并没有考虑要对零知识证明友好。这就使得构建零知识证明友好的 EVM (zkEVM)变得非常困难。

什么是 zkEVM?

正因为零知识证明(Zero Knowledge Proof)和以太坊虚拟机(EVM)兼容方面的难度之高,早期的 ZK Rollup 是不支持 EVM 的。它们普遍缺乏执行智能合约的能力(或者支持特别的虚拟机),因此受限于相对简单的特定场景:比如 代币兑换(swap)和支付(payment)。

为了解决这个问题,许多组织和研究人员专注于创建 zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine),顾名思义,它就是为智能合约在EVM中的执行(过程和结果)生成零知识证明的。

随着 ZK Rollup 扩容方案确定性的增加和技术的进展,各家zk扩容项目根据在兼容性 Compatibility 和性能 Performance(生成零知识证明的时间 Proving Time)之间做衡量和取舍,开创了不同的将 EVM 执行与零知识证明计算结合的方法。

不同类型的zkEVM:

zkEVM types

(来源:Vitalik 博客《The different types of ZK-EVMs》

2022年 Vitalik 曾发文阐述“不同类型的 zkEVM”,并将市面上的zk扩容项目做了大致的分类和对比。

接下来让我们用浅显的语言和清晰的逻辑梳理一下 zkEVM 的类型、技术架构、以及各自的优缺点。

Type1 类 zkEVM :完全等效于以太坊

Type2 类 zkEVM :完全兼容 EVM 以太坊虚拟机(曾经还有 Type2.5 类,如今看来基本与 Type2 类融合了)

Type3 类 zkEVM :几乎兼容 EVM 以太坊虚拟机

Type4 类 zkEVM :兼容高级语言

zkEVM  type

Type1 类 zkEVM——完全等效于以太坊

架构:

  • 完全等同于以太坊且无需改变以太坊系统环境的任何部分。
  • 无需取代哈希(Hashes)、状态树(State Trie)、交易树(Transactions Trie)、预编译的合约(Precompiles),和任何其他共识逻辑(In-consensus Logic)。
  • 其目标是与现有的应用程序完全兼容,开发者可以将应用程序丝滑地照搬过去。

优点:

  • 是所有类型 ZK Rollup 中兼容程度最高的方案。因此也是开发者最友好对方案——允许开发者将现有代码零摩擦(无需修改)地部署到 L2 上运行,因为所有的共识逻辑和系统环境完全等同于以太坊。
  • 和以太坊本身探索扩容的方向高度一致,因为在 Type1 类 zkEVM 上的探索,未来是可以被无摩擦地引入到 Ethereum 本身,从而使得以太坊 L1 本身更具可扩展性。
  • 它可以让 Rollup 无摩擦地照搬现有的海量以太坊基础设施(例如:以太坊执行客户端可以按原来的方式用于生成和处理 Rollup 区块、现有的区块浏览器和区块生成等工具也可以丝滑地部署到 L2)。
  • 能够如同现在的以太坊一样验证以太坊区块,或者更确切来说是验证执行层端(包括所有交易执行、智能合约和账户逻辑,但目前还不包括信标链共识逻辑)。
  • 正如先前提到的,完全等价以太坊的一大价值,便是可以借助以太坊现有的巨大网络效应和成熟复杂的生态。

缺点:

  • 以太坊在融合零知识证明方面所面临的问题,Type1 类方案也同样面临(毕竟它是以太坊等价,而以太坊最初并非为了zk功能设计的)。
  • 最大的问题就是生成证明所需时间久。针对这个问题,目前行业里主要的解决方案主要是:通过巧妙的工程大规模并行化证明,或通过 硬件优化来加速。

主流项目:

  • 以太坊基金会PSE(Privacy and Scaling Explorations 隐私和扩容)团队
  • Taiko:今年7月已更新至 Alpha-4 测试网,预计 2024 年年初上线主网。Taiko 项目从最初就优先考虑去中心化和兼容性,是目前第一家且唯一一家实现去中心化提议者(proposer)的 ZK Rollup。

Type2 类 zkEVM——完全兼容 EVM 以太坊虚拟机

架构:

  • 力求完全兼容 EVM 以太坊虚拟机,但不等效于以太坊。
  • 与以太坊自身的运行环境相比,此类型zkEVM 主要对区块结构、状态树的数据结构、gas fee的定价逻辑(根据 zk 友好度重新定价)和数据存储等方面进行了一些修改,使zk验证证明生成得更快更便宜。
  • 其目标是尽可能与绝大部分现有应用程序兼容,少数应用需进行一些改动。

优点:

  • 通过对 gas fee 的重新定价(越 zk 不友好的 op code 价格越贵,反之亦然),和删除部分对 ZK 不友好的以太坊堆栈,来提供比 Type1 类更快的验证时间。
  • Type2 类型可以做到与极大部分现有的以太坊应用程序兼容,因此绝大多数开发者和用户层面基本感受不到摩擦。
  • 虽无法零修改地直接使用以太坊执行客户端,但通过一些调试仍可以支持现有的 EVM 调试工具和其他开发基础设施。因此仍在极大程度上可以借力于以太坊现有的繁荣生态。

缺点:

  • 更改执行环境的影响范围虽小,但中长期依旧存在潜在的开发问题。比如将以太坊常用哈希(Keccak)替换为其他 zk 友好的哈希值(例如 Poseidon ),有可能会导致那些依赖于 Keccak 哈希值(涉及到历史数据)的程序应用(比如:跨链桥。大致原理:跨链桥不是实时通讯,通常是你在A链做了一个行为——比如已经burn了什么;要在B链做相互对应行为——要铸造什么…那本质就是你在B链上需要去证明A链的历史数据,因此会涉及到使用Keccak来证明历史数据)在迁移到 Type2 类型项目后出现不兼容问题(无法使用、或者跑出不同结果)。
  • 对gas fee定价规则的更改(本意是通过重新根据对 zk 友好程度来定价 op code,来“引导”开发者减少使用 zk 不友好的 op code),对于已经在以太坊上已经进行过 gas fee 优化的合约、甚至是以太坊上的gas fee优化工具就会带来问题。
  • 这些修改虽然和 Type1 类 zkEVM 相比,进一步提高了证明者的效率,但和 Type4 类 zkEVM 相比,证明时间依旧是一个相对缺点。

主流项目:

  • Scroll:2022 年 9 月上线 Pre-Alpha 测试网,2023 年 2 月上线 Alpha 测试网,预计于 2023 年 8 月上线主网。测试网上线时属于 Type3 类 zkEVM,但正在逐步增强 EVM 兼容性并向 Type2 类 zkEVM 过渡。
  • Polygon zkEVM(Polygon团队的 ZK Rollup 方案):2023 年 3 月上线了主网 Beta 版本。上线时属于 Type3 类 zkEVM,但目前在向 Type2 类 zkEVM 过渡。

Type3 类 zkEVM——几乎兼容 EVM 以太坊虚拟机

架构:

  • Vitalik 在其 2022 年的 blog 文章中称,Type3 类 zkEVM 更像是一个过渡(通过提高兼容程度过渡为Type2/1 类;或者通过降低兼容程度、提升 zk 友好度,过渡为Type4 类)。
  • 近乎兼容 EVM 以太坊虚拟机。通过在兼容性方面进一步牺牲,使其 zkEVM 更易于开发、zk 证明生成速度更快。
  • 删除了更多在 zkEVM 中难以实现的功能(比如预编译功能)。
  • 在处理合约代码(contract code)、内存(memory)或堆栈(stack)方面存在更大差异。
  • 目标是与大多数现有应用程序兼容。

优点:

  • 相比起 Type1 和 Type2 类 zkEVM,此类型更加 zk 友好,运算 zk 证明时间更短。
  • 相比起 Type4 类 zkEVM 可以兼容的现有以太坊应用程序更多。

缺点:

  • 相比起 Type1 和 Type2 类 zkEVM,此类存在更高的不兼容性和更多元素的牺牲(对以太坊开发者更加不友好)。这也是为什么 Type3 类更像是一个过渡,处于此类的方案大概率会通过提升兼容度,过渡到type2 类 zkEVM。
  • 相比起 Type4 类 zkEVM 证明速度更慢。

主流项目:

  • Scroll:2022 年 9 月上线 Pre-Alpha 测试网,2023 年 2 月上线 Alpha 测试网,预计于 2023 年 8 月上线主网。一年前Scroll属于此类型,但目前通过提升以太坊兼容度,在向 Type2 类 zkEVM 发展。
  • Polygon zkEVM(Polygon 团队的 ZK Rollup方案):2023 年 3 月上线了主网Beta版本。上线时属于 Type3 类 zkEVM,但目前在向 Type2 类 zkEVM 过渡。

Type4 类 zkEVM——兼容高级语言

架构:

  • 此类实际上属于 zkVM(零知识证明虚拟机,而非零知识证明以太坊虚拟机)。
  • 可以理解为编程语言层面的兼容。大致逻辑是:开发者可以继续使用他们在以太坊上习惯使用的编程语言(比如 Solidity)编写智能合约。此类型项目会用编译器将此编程语言转换为它们自定义的可读代码(比如 Starkware 使用 Warp 编译器将 Solidity 代码转换为 Cairo 字节码;zkSync 通过 LLVM 编译器将 Solidity 代码转换为其自定义的虚拟机可执行的代码 LLVM-IR)进行编译,并在它们自定义的环境中(比如 Starknet 的 Cairo VM 和 zkSync 的 Sync VM)执行。
  • 目标是低成本、高效率、最大化零知识证明友好性。

优点:

  • 非常快的验证时间。
  • 直接从高级语言编译可以大大降低成本(时间、金钱和计算工作量)。
  • 降低成为证明者的技术门槛,提高去中心化程度。
  • 此类 zkEVM 可以通过使用其自定义的虚拟机原生支持帐户抽象(Account Abstraction)。因为 EVM 等效的链无法原生支持账户抽象,需要通过以太坊的 ERC-4337 来实现。

缺点:

  • 大量现有的以太坊应用程序无法被复制到这类 zkVM 中,或者在复制过程中会出现问题:比如 合约在 Type 4 类 zkVM 系统中的地址可能与 EVM 中的地址不一样;Type4 类 zkEVM 不支持手写的 EVM 字节码(而目前许多应用程序都会使用手写的 EVM 字节码以节省gas fee);(先前提到了此类型是通过编译器达到 Solidity 代码语言层面的兼容)其编译器并不支持 Solidity 的一些功能。
  • 以太坊开发者如果想将应用部署到此类项目上,需要进行更复杂的的调整。因此,和前几类 zkEVM 相比,此类项目的开发者友好度相对低,有可能影响生态的发展和技术的迭代速度。
  • 极难借力于以太坊现有的复杂繁荣的生态和网络效应。

主流项目:

  • zkSync Era(Matter Labs 团队构建的 ZK Rollup 方案):2020 年 6 月上线 zkSync Lite(zkSync 1.0),主要支持简单的支付(payment)和资产兑换(swap)场景,并不支持 EVM兼容的智能合约;2023年3月上线 zkSync Era(zkSync 2.0),通过上述架构可以实现在高级语言层面的兼容。zkSync 的目标本就不是 EVM 兼容,而是提高零知识证明生成速度。
  • Starknet(Starkware 团队构建的 ZK Rollup 方案):2021 年 11 月上线主网,今年 7 月已更新至 v0.12.0 版本。其自身属于 Type4 类 zkEVM,目标本就不是 EVM 兼容。但目前它上面也有像 Kakarot 这样的项目,旨在使 Starknet 也能达到类似 Type 2.5-3 类 zkEVM 的兼容程度)。

基于 Vitalik 2022 年对于不同 zkEVM 的分类,再结合各家项目的进展(截止2023年8月),我们可以用下图简单地总结:

zkEVM

(各家主流 ZK Rollup 项目分类)

各类 zkEVM 主流项目

zkEVM Projects

(各家主流 ZK Rollup 项目对比图)

Vitalik 在其文末总结称:“就我个人而言,我希望随着时间的推移,通过 zkEVM 的改进和以太坊本身的改进相结合,使其(以太坊)对 ZK-SNARK 更加友好,最终一切都将成为 Type1 类。

在这样的未来,我们将有多个 zkEVM 实现,它们既可以用于 ZK Rollup(零知识扩容),也可以用于验证以太坊链本身。从理论上讲,以太坊没必要为L1(第一层)使用制定单一的、标准化的zkEVM 规范;不同的客户端可以选择使用不同的证明方式,这样我们就可以继续受益于代码层面的冗余。

但是,要实现这样的未来,还需要相当长的时间。与此同时,在以太坊(自身)扩容和基于以太坊的ZK Rollup 的不同路径方面,我们也将会看到大量的创新。”

同时,需要强调的是,虽然市面上主流的 zkEVM 分类方式是 Vitalik 2022年推出的分类(本文引用的),但同时也存在其他的分类标准。且无论如何分类,这些 zkEVM 类型并没有绝对的优劣之分。它们只是在兼容性与速度之间有所取舍:Type1 类 zkEVM 与以太坊的兼容性最高,但证明速度较慢(在 ZK Rollup 赛道中属于);Type4 类 zkEVM 与以太坊的兼容性较差,但验证速度更快。

当然,zkEVM 的兼容性和速度实际上并不是开发者考量应该基于哪个 ZK Rollup 去部署应用的唯一指标。还有许多其他的因素会影响他们的选择,比如:

  • L2 交易排序的去中心化程度:sequencer/proposer是否是去中心化的,这直接影响到生态参与者的复杂程度,以及整个网络的安全性;
  • 费用:以哪些代币支付费用、一条公链的代币经济模型如何;
  • 生成证明的规则:对于prover的激励机制、加速生成证明的硬件标准;
  • 自托管:是否有明确的机制来确保 L2 发生事故的时候仍然能够在 L1 恢复用户资产;
  • 数据可用性:完整的数据可用性成本自然要高些,是否可接受有些 ZK Rollup 采用的较低成本的数据可用性模式。

但由于多数通用 ZK Rollup 项目目前还处于测试网阶段,以上诸多因素尚无法做横向对比。

最后,任何 zkEVM 项目所属的类型也并非是静态不变的。随着各家方案在 zkEVM 方面的探索、甚至是以太坊本身的改进,有可能所有方案最终都能达到 Type 1 类 zkEVM 的效果。届时我们将有多个 zkEVM 实现——既可用于 ZK Rollups,又可用于验证以太坊链本身。

而在那之前,让我们期待看到在扩展以太坊和 ZK Rollup 不同路径上的持续创新。

免责声明:本文不构成任何投资建议。市场有风险,投资需谨慎。

参考资料:

https://vitalik.ca/general/2022/08/29/zkevm_zhTW.html

https://taiko.mirror.xyz/w7NSKDeKfJoEy0p89I9feixKfdK-20JgWF9HZzxfeBo

https://docs.moonbeam.network/builders/pallets-precompiles/precompiles/eth-mainnet/

https://news.marsbit.co/20230329154749858367.html

https://www.evm.codes/precompiled?fork=shanghai

https://ethereum.org/zh/developers/docs/data-structures-and-encoding/patricia-merkle-trie/#transaction-trie

https://foresightnews.pro/article/detail/30153

点赞 1
收藏 2
分享
本文参与登链社区写作激励计划 ,好文好收益,欢迎正在阅读的你也加入。

0 条评论

请先 登录 后评论
0xRJ.eth
0xRJ.eth
Researcher @taikoxyz 自由探索中… Crypto|读书|健身|旅行…