zkVM 测试报告：评估 Nescience 的零知识虚拟机

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• 译者：AI翻译官，校对：翻译小组
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介绍

在我们之前的博客文章中对 zkVM 的初步探索之后 [1]，我们进行了系列测试，以确定最适合 Nescience 架构的 zkVM [2]。本文概述了测试过程、结果和结论。此外，完整的测试套件和脚本可以在我们的 GitHub 页面上找到 [3]，以便其他人复制结果或进一步探索候选者。请注意，我们选择不在基准测试中使用硬件加速，因为我们的项目面向广泛的受众。特别是，我们不能默认假设支持 AVX512，因为它通常仅在高端 CPU 中可用。

我们已将以下 zkVM 列入测试名单：

• SP1 [4]
• RISC0 [5]
• Nexus [6]
• ZkMIPS [7]
• ZkWASM [8]
• Valida [9]

为什么选择这些候选者？

在缩小 zkVM 的范围时，我们关注了几个关键因素：

• 真正的零知识功能：zkVM 必须展示或接近展示生成和验证零知识证明的能力。
• 性能基准：我们寻求在性能方面有坚实基准的 zkVM，特别是在速度和效率方面。
• 特定功能：对于 Nescience，查找表、预编译和递归能力等功能至关重要。

我们需要一个支持这些功能的 zkVM，以便进行强大的项目开发。

候选者的初步信息

1. SP1 是一个高性能的开源 zkVM，能够验证任意 Rust（或任何 LLVM 编译语言）程序的执行。SP1 利用 Plonky3，支持递归证明，并支持包括基于 ECC 的算法（如 Groth16）在内的广泛加密算法。虽然它支持聚合，但似乎不以传统方式支持零知识。

2. RISC0 zkVM 允许证明任意 Rust 代码的正确执行。基于 RISC-V 架构，它本质上适用于实现标准加密哈希函数，如 SHA-256 和 ECDSA。RISC0 采用 STARKs，提供 98 位的安全级别。它支持多种编程语言，包括 C 和 Rust，得益于其与 LLVM 和 WASM 的兼容性。

3. Nexus 是一个模块化、可扩展的开源 zkVM，具有高度并行化、优化的证明者和友好的贡献者，使用 Rust 编写。它专注于性能和安全性，采用 Nova 折叠方案，特别适合递归证明。Nexus 还支持预编译和定向编译，除了 Rust 外，还提供 C++ 支持。

4. ZkMIPS 是一个基于 Plonky2 和 MIPS 微架构的通用可验证计算基础设施，旨在增强以太坊作为全球结算层的能力。它也可以运行任意 Rust 代码。值得注意的是，zkMIPS 是此列表中唯一使用 MIPS 操作码集的 zkVM。

5. ZkWASM 遵循并支持未修改的标准 WASM 字节码规范。由于 Rust 代码可以编译为 WASM 字节码，因此理论上可以在 zkWASM 机器上运行任何 Rust 代码，提供灵活性和广泛的语言支持。

6. Valida 是一个基于 STARK 的虚拟机，旨在在多个类别中改进现有技术：

   • 代码重用：该虚拟机具有 RISC 风格的指令集，简化了对传统编程语言的支持。正在开发一个后端编译器，将 LLVM IR 编译为 Valida ISA，使得用 Rust、Go、C++ 等编写的程序能够以最小或无源代码更改进行证明。
   • 证明者性能：Valida 旨在最大化证明者性能，兼容 31 位字段，限制为 3 次约束，并具有最小的指令解码。它直接在内存上操作，而不使用通用寄存器或专用堆栈，利用更新的查找参数来减少跨芯片通信中涉及的跟踪开销。
   • 可扩展性：Valida 设计为可定制，可以轻松扩展以包含任意数量的用户定义指令。使用过程宏在编译时构建所需的机器，避免任何运行时惩罚。

Valida 似乎处于开发的早期阶段，但已经展示了可观的性能指标。

测试计划

为了全面评估每个 zkVM，我们设计了一个两阶段的测试过程：

• 阶段 1：算术运算

  第一阶段专注于评估 zkVM 处理基本算术运算的能力：加法、减法、乘法、除法、模除和平方根计算。我们围绕七边形数设计了测试，这要求 zkVM 同时处理多个算术运算。通过这种方法，我们可以测量处理复杂数学计算的效率和速度，这是 zkVM 性能的关键要素。

• 阶段 2：内存消耗

  在第二阶段，我们评估了每个 zkVM 在重负载下管理内存的能力。我们测试了几种数据结构，包括列表、哈希映射、双端队列、队列、BTreeMaps、哈希集合和二叉堆。每个 zkVM 都经历了以下操作的测试：

  • 插入：zkVM 向结构中添加数据的速度有多快？
  • 删除：zkVM 是否有效地处理内存释放？
  • 附加：zkVM 能否有效地扩展数据结构？
  • 搜索：zkVM 在检索存储数据时的速度和效率如何？

这一阶段的目的是识别任何内存瓶颈，并确定 zkVM 是否能够高效地管理高强度任务，这对 Nescience 项目的复杂数据密集型过程至关重要。

机器规范

测试在以下硬件配置上进行：

• CPU：AMD EPYC 7713 "Milan" 64 核处理器（总共 128 线程）
• RAM：600GiB DDR4 3200MHz ECC RAM，分布在 16 个 DIMM 上
• 主机操作系统：Proxmox 8.3
• 虚拟机监控器：KVM
• 网络层：Open vSwitch
• 机器型号：Supermicro AS-2024US-TRT

结果

1. SP1​

SP1 在其证明中不提供零知识能力，但提供了可观的性能，尽管略逊于其主要竞争对手。内存泄漏很少，保持在 700 KB 以下。有趣的是，SP1 在基本算术测试中消耗的 RAM 比在内存分配测试中更多，展示了团队在负载下有效处理内存的能力。在基本测试中，分配主要集中在 9-16 B、33-64 B 和 65-128 B 范围内。对于内存分配，大多数落在 129-256 B 范围内。

• 阶段 1：Hept 100 测试
  • 证明大小：3.108 MB
  • 证明时间：16.95 秒

• 阶段 2：Vec 10000 测试
  • 证明大小：3.17 MB
  • 证明时间：20.85 秒

2. RISC0​

RISC0 在证明大小和生成时间方面表现出色，排名靠前（除了 Valida 和 zkWASM 的基本测试）。它的内存管理也很好，轻微泄漏低于 0.5 MB，受控的 RAM 消耗保持在 2.2 GB 以下。RISC0 的内存分配一致，主要集中在 17-32 B 和 33-64 B 范围内。

• 阶段 1：Hept 100 测试
  • 证明大小：217.4 KB
  • 证明时间：9.73 秒

• 阶段 2：Vec 10000 测试
  • 证明大小：217.4 KB
  • 证明时间：16.63 秒

根据这些结果，RISC0 是 Nescience 的一个可靠候选者。

3. Nexus​

Nexus 的性能为基于折叠方案的 zkVM 提供了有趣的见解。令人惊讶的是，证明大小在不同工作负载下保持一致，没有显著的内存泄漏（低于 700 KB）。然而，尽管 RAM 消耗在更高工作负载下略有增加（最高达到 1.2 GB），Nexus 在内存分配测试中的表现不佳，使其不适合我们的用例。

• 分配细节：

  • 基本测试：大多数分配集中在 65-128 B
  • 内存密集型测试：分配在 129-256 B 范围内

• 阶段 1：Hept 100 测试

  • 证明大小：46 MB
  • 证明时间：12.06 秒

• 阶段 2：Vec 10000 测试
  • 证明大小：46 MB
  • 证明时间：56 分钟

4. ZkMIPS​

ZkMIPS 提供了一个有趣的案例。虽然它在基本测试中在证明大小和生成时间方面表现良好，但这以显著的 RAM 使用和内存泄漏为代价。内存分配测试显示出令人担忧的 6.7 GB 内存泄漏，在基本测试中泄漏了 0.5 GB。尽管如此，RAM 消耗（虽然高达 17+ GB）在更高工作负载下保持稳定。分配大小分布在多个范围内，17-32 B、65-128 B 和 257-512 B 段的集中度显著。

• 阶段 1：Hept 100 测试
  • 证明大小：4.3 MB
  • 证明时间：9.32 秒

• 阶段 2：Vec 10000 测试
  • 证明大小：4.898 MB
  • 证明时间：42.57 秒

这个 zkVM 提供了混合结果，证明生成强大但内存管理问题令人担忧。

5. ZkWASM​

不幸的是，ZkWASM 在两个阶段的证明大小和生成时间方面表现不佳。RAM 消耗特别高，在基本测试中超过 7 GB，在内存分配测试中高达 57 GB。尽管其内存使用量令人印象深刻，但证明大小分别为 18 KB 和 334 KB，仍然相对较大。分配大小主要集中在 33-64 B 范围内，邻近的Slot也贡献了一些小但显著的数量。

• 阶段 1：Hept 100 测试
  • 证明大小：18 KB
  • 证明时间：42.7 秒

• 阶段 2：Vec 10000 测试
  • 证明大小：334 KB
  • 证明时间：323 秒

6. Valida​

Valida 在证明生成速度和大小方面表现出色，证明大小为 280 KB，证明时间小于 1 秒。然而，由于 Valida 对 Rust 的支持有限，无法进行性能分析。Valida 目前使用 LLVM 后端编译 Rust，将 LLVM IR 转换为其 C/C++ 实现，这在处理 Rust 特有的数据结构或依赖项时会导致错误。因此，复杂的内存交互无法进行测试，目前不建议将 Valida 与 Rust 代码一起使用。为此已在 GitHub 上开设了一个问题。

Stage 1​

Stage 2​

总结

在对六个 zkVM 候选者进行广泛评估后，RISC0 成为最佳选择。它在证明生成时间和大小方面表现出色，同时保持合理的内存占用。凭借强大的零知识证明能力和对多种编程语言的支持，它很好地满足了我们在隐私、性能和灵活性方面的项目需求。其在性能和效率之间的整体平衡使其在此阶段成为最可行的 zkVM。

Valida 尽管在高证明性能方面具有潜力，但仍处于早期开发阶段，并且存在 Rust 集成问题。目前的 LLVM IR 转换限制意味着它无法处理复杂的内存交互，因此暂时不合格。然而，一旦其开发成熟，Valida 可能成为一个强有力的替代方案，我们计划在其发展过程中重新审视它。

SP1 尽管最初引人关注，但未能满足零知识证明的要求。它在算术运算方面的表现令人满意，但由于缺乏 ZK 功能，无法进一步考虑，这对我们的隐私优先目标至关重要。

Nexus 展现了一致的证明大小和可管理的内存使用，但在内存密集型任务中的表现平平，以及其证明大小（尤其是对于较大工作负载）使其不再是顶级竞争者。虽然 zkMIPS 提供了可靠的证明时间，但内存问题过于严重，无法忽视，使其不适合。

最后，zkWASM 的结果最差，在证明大小和生成时间上都表现不佳。尽管它在 WASM 字节码支持方面具有潜力，但过高的 RAM 消耗（在内存测试中高达 57 GB）使其在 Nescience 的用例中不切实际。

总之，RISC0 在此阶段是 Nescience 的最佳选择，但 Valida 仍然是未来的候选者，随着其开发进展。

未来，我们计划将 RISC0 和 SP1 与 CUDA 加速进行比较。理想情况下，到那时，更多的 zkVM 将包括类似的加速能力，从而实现跨平台的更公平和全面的比较。

我们希望听到你对我们的 zkVM 测试过程和结果的看法！你是否同意我们的结论，还是认为我们错过了一个有前景的 zkVM？我们始终欢迎社区的反馈、见解和建议。

加入讨论并分享你对 我们论坛 的看法，或通过我们的 GitHub 页面 自行尝试测试！

参考文献

[1] 探索 zkVM：哪些项目真正符合零知识虚拟机的标准？来源于 https://learnblockchain.cn/article/9668

[2] Nescience：以用户为中心的状态分离架构。来源于 https://vac.dev/rlog/Nescience-state-separation-architecture

[3] 我们的 GitHub 页面用于 zkVM 测试。来源于 https://github.com/vacp2p/nescience-zkvm-testing

[4] 介绍 SP1：一个高性能、100% 开源、友好的贡献者 zkVM。来源于 https://blog.succinct.xyz/introducing-sp1/

[5] 第一个通用 zkVM。来源于 https://www.risczero.com/zkvm

[6] Nexus 2.0 zkVM。来源于 https://docs.nexus.xyz/

[7] ZKM 架构。来源于 https://docs.zkm.io/zkm-architecture

[8] ZK-WASM。来源于 https://delphinuslab.com/zk-wasm/

[9] Valida zkVM 设计。来源于 https://delendum.xyz/writings/2023-05-10-zkvm-design.html

我是 AI 翻译官，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，在这里修改，还请包涵～