zkEVM (二) --EVM Circuit

blocksight
更新于 2022-05-05 11:53
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通过上一篇，我们知道zkEVM包含多个电路，如EVM circuit， MPT circuit，Keccak256 circuit等。本节继续介绍EVM circuit部分，这一部分是典型的业务电路，用于约束EVM执行状态，因为其他例如 Keccak256 circuit 是通用型的电路，不仅可以用在ZKEVM工程中，也可以用在其他使用Keccak256做哈希的应用中，也就是独立于业务逻辑本身的电路组件。

## EVM circuit 介绍

通过[上一篇](https://learnblockchain.cn/article/3942)，我们知道zkEVM包含多个电路，如EVM circuit， MPT circuit，Keccak256 circuit等。本节继续介绍EVM circuit部分，这一部分是典型的业务电路，用于约束EVM执行状态，因为其他例如 Keccak256 circuit 是通用型的电路，不仅可以用在ZKEVM工程中，也可以用在其他使用Keccak256做哈希的应用中，也就是独立于业务逻辑本身的电路组件。

EVM circuit遍历block证明中包含的交易，以验证交易的每个执行步骤是否有效。基本上，一个步骤的规模与EVM中的规模相似（可以理解为大部分op code 电路约束可以具有相同的上限复杂度），因此通常我们每个步骤处理一个操作码（EVM中的op code），除了像SHA3或CALLDATACOPY/Log这样的操作码，它们具有可变大小的输入上，这需要多个“虚拟”步骤（virtual step：辅助的操作码，并不是evm真正存在的op code）。

为了验证一个步骤执行是否有效，首先需要在EVM中枚举一个步骤的所有可能执行结果，包括成功和错误情况，然后构建一个自定义约束来验证每个执行结果的转换是否正确。

对于每个步骤，我们使用其中一个执行结果来约束它，特别地，约束第一步是BEGIN_TX（这就是上面提到到`virtual step` 的一种，标记一个交易开始执行），然后进入交易内部的step,以验证完整的执行。此外，每一步都可以访问下一步，通过设置诸如assert next之类的约束来传播跟踪信息。例如程序计数器执行一个步骤后就要加1：`next.program_counter == curr.program_counter + 1`.

## 概念/术语解释

### Execution result（执行结果）

对于如何定义执行结果，直观的的做法是将每个操作码作为一个步骤的一个分可能的分支。然而，EVM有非常多的操作码（op ocode），其中一些非常相似，比如{ADD，SUB}，{PUSH*}，{DUP*}和 {SWAP*}，它们似乎完全是是通过相同的约束来处理的，只需稍加调整（交换一个值或线性变动），我们可以只实现一次来批量处理这些非常相似的op codes，这样就可以在单个执行结果（分支）中处理多个操作码。

此外，EVM状态转换还可能包含多种错误情况，我们还需要实现这些约束。每个操作码分支都要处理自己的错误情况，这很麻烦，因为它需要停止步骤并将执行上下文返回给调用者。虽然说EVM的error 对于EVM执行来说是异常的情况（比如OutOfGas，NotSufficientBalance，ExceedMaxCodeSize 等等），但这些是业务层面来看的， 对于从电路角度来说，它和正常执行结果一样重要，电路只知道有什么情况就要去约束，保证其反映真实的业务过程！

幸运的是，大多数错误情况都容易通过一些预先构建的Lookup talbe进行验证，即使它们可能发生在许多操作码上，但也有一些棘手的错误需要逐一验证，例如Gas不足，stack溢出等。因此，我们进一步将各种错误请阔也做为执行结果来看待。

因此，我们可以列举所有可能的执行结果，并将EVM电路转化为有限状态机，如：

![1.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2022/05/YxKPS5806273495da40eb.png!/scale/50)
![2.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2022/05/g51qluMe6273496d543d5.png!/scale/50)

* BeginTx:
  一笔交易开始的step.
* EVMExecStates = [ SuccessStep | ReturnStep ]
* SuccessStep = [ ExecStep | ExecMetaStep | ExecSubStep... ]
  在调用中成功执行并继续下个step的状态。
* ReturnStep = [ ExplicitReturn | Error ]
  用于停止调用的执行并返回给调用方或转到下一笔交易执行中。
* ExecStep:`GethExecStep` 和 `opcodes` 一一对应，把单个op code（Call, CREATE2）作为一个step
* ExecMetaStep:

使用GethExecStep的N-1映射，即多个op code共用一个step 。例如{ADD，SUB}，{PUSH*}，{DUP*}和{SWAP*}。就是前面提到的非常相似的op codes,但只实现一次

* ExecSubStep:
  需要使用多个Step表示一个op code， 通常需要处理变长输入的情况，如：
  
  * CALLDATACOPY -> CopyToMemory
  * EXTCODECOPY -> IN PROGRESS
  * SHA3 -> IN PROGRESS
  * LOGN -> CopyToLog
  * RETURNDATACOPY -> TODO

ExplicitReturn: 无异常执行情况下返回

* Error = [ ErrorEnoughGas | ErrorOutOfGas ]    opcodes遇到的异常情况
* ErrorEnoughGas:
  非gas error: InvalidOpcode, StackOverflow, InvalidJump.
* ErrorOutOfGas:
  gas不足的情况.
* EndTx
  一笔交易结束，也是一个辅助的virtual step.
* EndBlock
  一个block处理结束，也是一个辅助的virtual step.

### Random access data（随机数据访问）

在EVM中，解释器（interpreter）能够对数据块上下文、帐户余额、堆栈和当前范围内的内存等进行任意随机访问。访问可以是读写的，也可以是只读的。
在EVM电路中，我们使用Lookup工具，将这些随机数据访问复制到不同布局中的其他电路，并验证它们的一致性和有效性。在验证了这些随机数据访问之后，我们可以像使用表一样使用它们。[上一篇](https://learnblockchain.cn/article/3942)列出了各个电路中使用的table。

对于读写访问数据，EVM电路使用顺序rw_counter（读写计数器）查找状态电路（state circuit），以确保读写访问按时间顺序进行。它还使用一个标志`is_write`来检查不同写访问之间的数据一致性。

对于只读访问数据，EVM电路直接查找 Bytecode circuit, Tx circuit and Call circuit.

### Reversible write reversion(可回滚写入)

在EVM中，如果任何调用失败，写入state中的数据会被回滚。

在EVM电路中，每个调用都附加一个标志（`is_persistent`），以标志它是否成功。有两类可回滚的数据写入：

* 回滚影响未来的执行
* 回滚不影响未来执行

因此，理想情况下，我们只需要对第一种情况进行回滚约束检查，如下列类型数据：

* TxAccessListAccount
* TxAccessListStorageSlot
* AccountNonce
* AccountBalance
* AccountCodeHash
* AccountStorage

第二种情况，它们不会影响未来执行，我们只在`is_persistent`为1时写入它们：

* TxRefund
* TxLog
* AccountDestructed

为了实现写数据的回滚，同时需要一些额外的调用的信息：

`is_persistent` ——标记是否成功。

`rw_counter_end_of_reversion` ——标记应该在未来的哪一点回滚。

`reversible_write_counter` --标记到目前为止我们已经进行了多少次可回滚写入。

然后在每次可回滚写入时，我们首先检查`is_persistent`是否为0，如果是，我们在`rw_counter_end_of_reversion`进行额外的可逆写入`rw_counter_end_of_reversion - reversible_write_counter` 处的旧值，以相反的顺序还原可逆回滚

### Opcode fetching（操作码查询）

在EVM电路中，有3种操作码源头：

* Contract interaction：正常情况下，合约已部署。操作码是通过元组(code_hash, index, opcode)从字节码电路中查找的
* Contract creation in root call：创建新合约时，操作码是通过元组（tx_id，TxTableTag.calldata，index，Opcode）从tx电路中的tx calldata中查找的
* Contract creation in internal call:内部调用创建合约，操作码是通过元组（(rw_counter, False, caller_id, index, opcode)从状态电路（state circuit）中的调用方的Memory中进行查找

如果查询的索引不在给定有效范围内，它会遵循当前EVM的行为隐式返回0， 例如字节码序列有100长度，查询102处字节，会返回0，0对应了`STOP` op code.

### Internal call( 内部调用)

EVM可以通过op code(Call, CREATE等)执行内部调用。在EVM电路中，触发内部调用的操作码（如CALL或CREATE）将：

* 在state circuit中保存 call_state.
* 设置下一个Call的上下文.
* 初始化一下step 的call_state并开始新的call.

需要注意的是，对于操作码（如RETURN或REVERT）的错误情况将恢复到上一个Caller的状态，并将其设置回下一步上下文。

简单调用示例（隐藏了许多细节）如下：
![3.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2022/05/BwlthMpe627349aede3fa.png!/scale/70)

## 小结

本文主要是开源的社区文档的翻译，略作修改。文中很多annotation来自EVM源代码。尤其是与EVM call及回滚相关的复杂逻辑，熟悉以太坊源代码会增进理解。

原文：https://appliedzkp.github.io/zkevm-docs/architecture/evm-circuit.html#introduction

感谢关注， 欢迎讨论！！！

> 本文首发于：https://mp.weixin.qq.com/s/3p9qAXtwXkjNrV3EEL56Vg

EVM circuit 介绍

对于每个步骤，我们使用其中一个执行结果来约束它，特别地，约束第一步是BEGIN_TX（这就是上面提到到virtual step 的一种，标记一个交易开始执行），然后进入交易内部的step,以验证完整的执行。此外，每一步都可以访问下一步，通过设置诸如assert next之类的约束来传播跟踪信息。例如程序计数器执行一个步骤后就要加1：next.program_counter == curr.program_counter + 1.

概念/术语解释

Execution result（执行结果）

对于如何定义执行结果，直观的的做法是将每个操作码作为一个步骤的一个分可能的分支。然而，EVM有非常多的操作码（op ocode），其中一些非常相似，比如{ADD，SUB}，{PUSH}，{DUP}和 {SWAP*}，它们似乎完全是是通过相同的约束来处理的，只需稍加调整（交换一个值或线性变动），我们可以只实现一次来批量处理这些非常相似的op codes，这样就可以在单个执行结果（分支）中处理多个操作码。

此外，EVM状态转换还可能包含多种错误情况，我们还需要实现这些约束。每个操作码分支都要处理自己的错误情况，这很麻烦，因为它需要停止步骤并将执行上下文返回给调用者。虽然说EVM的error 对于EVM执行来说是异常的情况（比如OutOfGas，NotSufficientBalance，ExceedMaxCodeSize 等等），但这些是业务层面来看的，对于从电路角度来说，它和正常执行结果一样重要，电路只知道有什么情况就要去约束，保证其反映真实的业务过程！

因此，我们可以列举所有可能的执行结果，并将EVM电路转化为有限状态机，如：

BeginTx: 一笔交易开始的step.
EVMExecStates = [ SuccessStep | ReturnStep ]
SuccessStep = [ ExecStep | ExecMetaStep | ExecSubStep... ] 在调用中成功执行并继续下个step的状态。
ReturnStep = [ ExplicitReturn | Error ] 用于停止调用的执行并返回给调用方或转到下一笔交易执行中。
ExecStep:GethExecStep 和 opcodes 一一对应，把单个op code（Call, CREATE2）作为一个step
ExecMetaStep:

使用GethExecStep的N-1映射，即多个op code共用一个step 。例如{ADD，SUB}，{PUSH}，{DUP}和{SWAP*}。就是前面提到的非常相似的op codes,但只实现一次

ExecSubStep: 需要使用多个Step表示一个op code，通常需要处理变长输入的情况，如：
- CALLDATACOPY -> CopyToMemory
- EXTCODECOPY -> IN PROGRESS
- SHA3 -> IN PROGRESS
- LOGN -> CopyToLog
- RETURNDATACOPY -> TODO

ExplicitReturn: 无异常执行情况下返回

Error = [ ErrorEnoughGas | ErrorOutOfGas ] opcodes遇到的异常情况
ErrorEnoughGas: 非gas error: InvalidOpcode, StackOverflow, InvalidJump.
ErrorOutOfGas: gas不足的情况.
EndTx 一笔交易结束，也是一个辅助的virtual step.
EndBlock 一个block处理结束，也是一个辅助的virtual step.

Random access data（随机数据访问）

在EVM中，解释器（interpreter）能够对数据块上下文、帐户余额、堆栈和当前范围内的内存等进行任意随机访问。访问可以是读写的，也可以是只读的。在EVM电路中，我们使用Lookup工具，将这些随机数据访问复制到不同布局中的其他电路，并验证它们的一致性和有效性。在验证了这些随机数据访问之后，我们可以像使用表一样使用它们。上一篇列出了各个电路中使用的table。

对于读写访问数据，EVM电路使用顺序rw_counter（读写计数器）查找状态电路（state circuit），以确保读写访问按时间顺序进行。它还使用一个标志is_write来检查不同写访问之间的数据一致性。

对于只读访问数据，EVM电路直接查找 Bytecode circuit, Tx circuit and Call circuit.

Reversible write reversion(可回滚写入)

在EVM中，如果任何调用失败，写入state中的数据会被回滚。

在EVM电路中，每个调用都附加一个标志（is_persistent），以标志它是否成功。有两类可回滚的数据写入：

回滚影响未来的执行
回滚不影响未来执行

因此，理想情况下，我们只需要对第一种情况进行回滚约束检查，如下列类型数据：

TxAccessListAccount
TxAccessListStorageSlot
AccountNonce
AccountBalance
AccountCodeHash
AccountStorage

第二种情况，它们不会影响未来执行，我们只在is_persistent为1时写入它们：

TxRefund
TxLog
AccountDestructed

为了实现写数据的回滚，同时需要一些额外的调用的信息：

is_persistent ——标记是否成功。

rw_counter_end_of_reversion ——标记应该在未来的哪一点回滚。

reversible_write_counter --标记到目前为止我们已经进行了多少次可回滚写入。

然后在每次可回滚写入时，我们首先检查is_persistent是否为0，如果是，我们在rw_counter_end_of_reversion进行额外的可逆写入rw_counter_end_of_reversion - reversible_write_counter 处的旧值，以相反的顺序还原可逆回滚

Opcode fetching（操作码查询）

在EVM电路中，有3种操作码源头：

Contract interaction：正常情况下，合约已部署。操作码是通过元组(code_hash, index, opcode)从字节码电路中查找的
Contract creation in root call：创建新合约时，操作码是通过元组（tx_id，TxTableTag.calldata，index，Opcode）从tx电路中的tx calldata中查找的
Contract creation in internal call:内部调用创建合约，操作码是通过元组（(rw_counter, False, caller_id, index, opcode)从状态电路（state circuit）中的调用方的Memory中进行查找

如果查询的索引不在给定有效范围内，它会遵循当前EVM的行为隐式返回0，例如字节码序列有100长度，查询102处字节，会返回0，0对应了STOP op code.