Cipholio 深度分析：漫談ZKVM的方案及未來_CODE

作者：?Yolo，CipholioVentures

TL;DR

1、ZK的技術具有隱私和擴容兩個最主要的使用場景，當我們討論隱私的時候，我們利用ZK技術保護鏈下數據，不被獲取；而當我們討論擴容的時候，我們則是利用ZK節省鏈上計算空間。舉個例子，如果我要確認某個賬戶有100塊錢，傳統區塊鏈的方式是讓每個節點都確認一遍，而現在我只需要一個節點，在保證數據完整性的前提下，找到最近凈流入100塊的憑證，即可證明賬戶有100元，區別就是前者需要大量計算和證明，后者只需要鏈下證明。

2、ZKVM發展的核心權衡在于是發揮ZK潛力重要，還是發揮目前開發者資源重要。圍繞著發揮ZK潛力，意味著CPU寄存器的硬件加速，IR語言和assembly語言的再組織；而圍繞著利用開發者資源，則意味著Solidity轉化bytecode后，如何將Bytecode所映射的opcode，進行ZK證明的問題。

3、按照模塊化區塊鏈的觀點，L1解決共識問題，L2解決計算和執行問題，DA層解決數據可得性和完整性的問題。由于Zk類的L2其證明。

4、以assembly語言獨立設計ZK證明的專用型的ZKapp，由于具有較低的可組合性和解耦能力，將在未來的發展過程中面臨很大的阻礙。這些方案由于和其他ZK方案不兼容VM，不兼容語言，不兼容，存在較大的調用難度。

5、依賴，時間序列的交易Log，數據安全性和證明的完整性決定了其執行的可靠性。在目前ZK方案大部分閉源的狀態下，ZK安全審計有很大的發展前景。

6、由于ZKP依賴鏈下數據，交由DA鏈則會失去數據的隱私性。想要兼容數據隱私性和ZK證明節點不作惡，就需要新的解決方案。我們看好未來諸如MPC/FHE等安全計算方案。

7、隨著不同Circuit的不斷成熟，Zk證明可能也會迎來提效和分工，ZK證明的硬件提速方案，以及專業的ZK礦工也可能應運而生。

8、ZKP經驗局限性問題。典型問題包括：約束系統無法有效約束數據，當證明一些復雜交叉的命題時，約束面臨不夠充分的問題；私有數據泄露，私有數據當做公開數據處理；針對鏈下數據的攻擊，合約層的“metadata-attack”；ZK證明節點的作惡等等。

ENS開發負責人：以太坊已支持CCIP讀取與ENS通配符解析解決方案:3月14日，ENS開發負責人Nick Johnson在推特上表示，以太坊已支持CCIP讀取與ENS通配符解析解決方案。據悉，跨鏈互操作協議（CCIP）為ENS采用的跨鏈解決方案，旨在支持在二層網絡上發行鏈上的域名。[2022/3/14 13:55:55]

9、短期來看，ZK方案的安全性存在局限，目前大量的共識還是建立在鏈下節點的自律上，缺乏一系列必要的工具，來保障鏈下環境的安全性。

概覽

一直以來ZK技術由于其重巒疊嶂的專業術語，使得人們難以對這一主題充分討論。本文將著重從生態發展角度，來分析ZK技術和其應用場景，描述目前ZK相關的競爭格局，并為未來發展的方向做一些暢想。本文著重討論：

當我們在討論ZK技術的時候我們在討論什么？(知識鋪墊，機構投資者可以從第二部分開始讀。)

從技術發展角度看待gzkvm的發展規律和結構?

目前主要ZKvm技術方案的比較？

分析和展望

一、虛擬機ABC--從日常計算機說起

在介紹ZKEVM相關的知識以前，我想先從我們日常的計算機的結構講起。我們都知道計算機分為軟件和硬件兩部分，為了讓軟件順利的在硬件上運行，我們需要為軟件匹配適宜的運行環境。從結構來看，運行環境由兩部分組成。

其中黃色部分為硬件，綠色部分為操作系統。這里可能有同學會提出疑問：為什么運行環境不等價于操作系統，這主要是因為操作系統難以兼容所有的硬件，只有操作系統和硬件的匹配才能為軟件提供服務。這個問題，我們再后面ZKVM的發展路線鐘，還會提到。

有了運行環境，我們還需要具體的軟件才可以實現具體需求。那么程序是怎樣跑起來的呢？

從圖上我們可以看到，軟件經操作系統交由硬件層來進行計算的整個流程，在過程中程序語言經過了三個階段的變化，高級語言用來寫程序完成實際需求，匯編語言用來和計算機溝通，底層本地代碼由計算機具體執行。具體來看，程序員完成APP的代碼后，經由轉譯器翻譯成obj，這些離散的目標語言，將會通過操作系統中的Linker得以鏈接，兩者輸出可執行的exe文件存儲在硬盤中。

波卡Participation Lottery模塊代碼已被并入Substrate庫:1月6日，波卡Polkadot官方社區PolkaWorld發文表示，Parity已經開發出了一個“Participation Lottery（參與彩票）”系統，來激勵社區更多地參與鏈上治理。Parity工程師Shawn Tabrizi昨日宣布Participation Lottery模塊代碼已經被并入Substrate庫中。這意味著，未來所有基于Substrate的鏈（包括波卡、Kusama和波卡生態里大多數的鏈）都可以使用這個功能來創建彩票，從而激勵用戶參與鏈上活動，如Staking、公投投票、為理事會競選投票等。目前這個模塊還未進行代碼審計，是否要用于Kusama也還在討論中。[2021/1/6 16:35:01]

當運行的時候，exe文件會將數據放入內存，經由CPU將Obj轉化為本地代碼進行計算操作，實現app的I/O。這一過程中存在非常多的選擇，多樣的語言，多樣的操作系統，多樣的硬件，從商業角度面臨了非常多的Tradeoff，而這些選擇最后便體現在編譯器內核LLVM的改進中。

下圖我們可以看到，硬件和操作系統之間有多種對應關系和限制條件：

同一類型的硬件可以安裝多種操作系統，不同硬件需要匹配不同類型的操作系統。例如，同樣的AT兼容機A中，既可以安裝Windows，也可以安裝LinuxB等操作系統。又如，X86芯片的硬件，需要x86版本的windows來匹配。這主要是由于操作系統底層匯編語言需要與芯片匹配。

App的成功運行需要與CPU匹配，也需要與操作系統匹配。例如：1，為了保證Office2017的正常運行，需要具備x86C的CPU；2，有些APP只能在windowXP上運行，在2000上則運行不了。

CPU只能解釋其自身固有的機器語言。不同的CPU能解釋的機器語言的種類也是不同的。也就是說，用不同高級語言編寫的APP，如果不能通過編譯成CPU可以運算的語言，CPU也是無法執行的。

二、ZkVM是什么？

通常我們在討論ZK的時候，通常是在三個語境當中：

ETC社區即將實施ETCIP1099升級提案，將縮減ETC的DAG大小至3G以下:ETC社區即將實施ETCIP1099升級提案。該提案將縮減目前ETC的DAG（有向無環圖）大小至3G以下，提案實施后，4G顯卡挖掘ETC的壽命將被延長至少3年。注，當前ETC的DAG大小為3.91GB。[2020/9/27]

使用ZK作為Scaling方案RollupL2。

使用zkp進行證明的應用，dydx，Zklink等等。

zkproof作為一種密碼算法。

用什么語言，在什么環境下，用什么硬件執行？這是廣義VM所要解決的問題。

前面我們剛剛介紹了傳統操作系統，再來看ZKVM的時候，我們可以發現，ZKVM也完成了類似的職能，完成了硬件層和高級語言的溝通。其核心是數據證明與狀態更新，當系統接收到兩類input，原始數據和證明，比對計算后，輸出指令和ZKP，提交L1進行共識廣播。

具體來看ZK證明經過幾個部分:

1.本地的計算；

2.Circuit的定義。比如確認你錢包有沒有錢，確認信息是不是完整，確認簽名是否正確；

3.算術化證明：運用數學方法證明計算是可執行的。

4.將算數證明結果和實際結果比對

5.將結果遞交上鏈

以Scroll的方案為例，我們看到從Geth出發，系統完成了本地的計算，將交易Trace拆解轉化成Circuits算子，然后使用算數方法得出ZK證明。然后比對數據和證明，如果無誤即可廣播上鏈。這當中涉及許多關鍵技術，比如如何設定Circuits，有哪幾類Circuits？如何對Circuits進行拆解?整個確認方法，可以想象一張巨大的表，每一個變量都有其參數，在已知歷史數據的背景下，求特定結果的必然性。

舉個例子，如果我要確認某個賬戶有100塊錢，傳統區塊鏈的方式是讓每個節點都確認一遍，而現在我只需要一個節點，在保證數據完整性的前提下，再加上最近凈流入100塊的證明，然后進行確認完成后，即可證明賬戶有100元，區別就是前者需要每一個節點的計算，后者只需要單一節點計算和zk證明。在這個例子中，確認的是“如何在鏈下證明賬戶有充足余額”，證明需要的約束是“當最近歷史時間軸內賬戶凈流入大于100，然后將節點計算結果與ZKP比對，從而決定狀態是否正確。

動態 | CipherTrace與反人口販運組織合作利用加密分析打擊人口販運:12月20日消息，區塊鏈分析公司CipherTrace與反人口販運情報倡議組織（ATII）合作，利用加密分析來推進全球人口販運打擊工作。（Cointelegraph）[2019/12/20]

ZK語言的公約數

根據MidenVM的總結，目前市場上主要的Zkapp所采用的的工具都是以WASM和RISCV為主的匯編語言，一些工具包能讓應用很快打上“ZK”的概念或者標簽。但稍微拆解一下結構，我們會發現傳統智能合約由L1來保證安全性，全網廣播形成共識的安全性已經經過歷史檢驗了，而利用鏈下ZKP證明，則存在ZKP證明節點是否作惡的問題。

先不論Devs是否能夠合理設立約束的能力問題，如何防范ZKP證明節點的作惡意愿問題，無疑是更為重要的。

舉例來看，一些ZKdex更像是在Cex和Dex之間尋找一個平衡點，相較于Cex而言，用戶可以將資金保管在自己的L1賬戶；而相對Dex而言，又能有更優的效率表現。但在實踐中，大量的項目都存在鏈下證明的安全隱患。此外，由于從APP層到IR層，都是由zkAPP團隊獨立開發，家家戶戶有著自己的編程習慣和輪子庫，這也導致團隊與團隊之間難以形成可組合性，也不利于加速市場分工和硬件設備的加速。

因此，市場破解尋找一個在密碼學和高級語言之間找到一層公約數。來為各類應用提供一個通用的框架，而ZK-VM則是適配整套系統，承上啟下的重要部分。

在執行模式方面，EVM與JVM非常相似。兩者都是執行字節碼的堆棧機。EVM增加了一個存儲的概念，它的字節碼指令更適合于合同開發。?

圖中我們以ETH舉例，傳統ETH由三部分構成，ETH網絡，EVM，Dapp開發生態。這里我們可以很清晰的感受到ZK承上啟下的作用：

1.站在ZK電路硬件層的角度：

EVM可能無法全部兼容。由于EVM有一些變長的指令，比如CALL，DATACOPY，EXP，CREATE等等，這些對ZK電路不友好。

2.站在開發者角度：

聲音 | CipherBlade首席調查員：HitBTC是一個無力償債的騙局:美國區塊鏈安全公司CipherBlade首席調查員Richard Sanders最近表示，加密貨幣交易所HitBTC是業內“規模最大的犯罪欺詐實體”。?盡管該公司將自己描述為市場上具有高度安全性和流動性的“最先進的”交易所，但這可能只是一個門面，交易所實質是“披著羊皮的狼”。Sanders認為，該交易所是無力償債的，其設計方式允許他們有選擇地欺騙客戶。此前，巴西投資初創公司Atlas Quantum曾表示HitBTC凍結了其1862個BTC（約合1530萬美元）和超過540萬美元的USDT。（CryptoBriefing）[2019/12/18]

能否不需要重新學習語言，保留EVM的API特性。在這種情況下，整個生態就可能失去對一些ZK算法的支持。

除此以外，ZKVM還需要考量很多技術兼容，比如：

1.寄存器的兼容。MachineType.傳統EVM是一個Stack-based的Statemachine，因此大量的計算式串聯的，不可并行的，這確保了整個計算機的原子性。這一架構對于ZK是非常不利的，如果要發揮ZK算法的全部效率，則需要做一個Register-Based，也就是以CPU-寄存器為核心架構來設計VM。

2.語言上的兼容。FunctionCalls.VM系統將底層特性封裝成API，如何讓API支持動態調用，支持像Python一樣的高級語言。

3.計算機底層的兼容。NativeField.不同的CPU有不同的位數，在不同算法上的表現不同。需要為ZK專用計算機做謀劃。

4.傳統公鏈結構的兼容:Sequencer/Roller/Miner.

三、ZKVM的架構

主流技術方案

用什么語言，在什么環境下，用什么硬件執行？這是廣義VM所要解決的問題。

VM當中最為重要的內核便是LLVM，他可以看作是編譯器最重要的內核。圖中是原始EVM的運作方案，智能合約通過LLVMIR的中間代碼進行轉化，轉化成Bytecode。這些Bytecode會存儲在區塊鏈上，當智能合約被調用的時候，便會將Bytecode轉化成對應的Opcode，再由EVM和節點硬件來執行。

結合上ZK，各個不同的解決方案是怎樣實現的呢？

Starkware

Starkware由于在整個ZK領域起步較早，技術積累較為充分，擁有一定的技術領先。他是代表性的ZK中心主義的技術架構，圍繞ZK構建了CairoVM和Cairo的語言。但由于他是閉源狀態，一些技術細節并不清晰。其缺點在于，Cairo的學習成本。雖然官方也開發了Solidity轉換Cairo的一些框架，但由于其底層核心均建立于CairoVM上，意味著有相當多Solidity-EVM兼容的特征會損失。

Zksync

ZKsync的框架兼容了EVM和ZK兩方面的特點，將Solidity和其自主開發的電路語言Zinc做了一個融合，在編譯器內部將兩者在IR層面上做了統一。其優點在于編譯器內核的LLVM可以兼容多種語言。Zksync也是閉源框架。

HermezbyPolygon

Scroll

HermZ和Scroll兩個技術方案更側重以太坊生態，他們在Bytecode上和ETH生態做了融合。由于EVM天然支持bytecode和其對應的opcode，這兩者和ETH生態有著更高的融合性。Solidity在這兩個Zkvm上能充分的調用EVM的API，最大保留了EVM的架構優點。兩個方案有所差異的是，Hermz會將opcode在內部進行統一，然后再進行證明；而Scroll則會將Opcode拆解circuit進行證明，再進行整合。

為什么要選擇兼容EVM？因為EVM當中有一些架構經過檢驗，安全性比較好，兼容性也比較好。舉例來說Geth模型和RPC架構，這些API已經被EVM較好的封裝，也經過歷史檢驗。

總結來看，

Starkware最底層從WASM和機器碼層面進行統一，ZKsync最淺在IR層面進行統一，Hermz和Scroll居中在Bytecode上進行統一；

Starkware是技術轉型最徹底的，但也是用戶學習門檻最高的；而Zksync相對比較均衡，保留一部分solidity特性，發揮局部ZK性能；

Hermz和Scroll相對最易應用和拆解，全面集成Bytecode，整合EVM，尤其是Scroll，開放ZK證明，也給了硬件加速更大的空間。

相對來說，無論是技術驅動還是生態整合驅動，都在未來有各自的發展空間，“貿工技”還是“技工貿”都有機會找到自己的場景，發揮更大價值。

如果我們對照回顧Windows歷史，在強有力的操作系統出現以前，不同的開發者需要對不同的硬件，掌握不同的開發工具。不掌握匯編，不理解計算機底層的開發者在開發過程中會遇到非常多的挫折。而操作系統在硬件當中尋找最大的公約數，將CPU以外的I/O系統都封裝成統一的接口，這些技術積累，使得軟件開發的門檻大大降低了，也使得大部分程序員只需要理解高級語言即可，即使不具備匯編和底層代碼知識仍然可以寫出漂亮的App。

對照看到ZKVM的發展，我們可以看到一些端倪，如果說現在的ZKapp需要傳統程序員+匯編+密碼學知識儲備才能開發，未來隨著ZKVM的成熟，越來越多的底層技術封裝進高級語言當中，開發門檻漸次降低，生態繁榮是可以想見的。

對于Founder而言，有兩個注意點：

1.ZK技術將鏈上共識轉為鏈下證明，目前證明技術相對成熟，但是拆解證明，數據存儲的安全隱患仍然不少，相關審計機構，測試工具都存在空白缺位。

2.ZK技術的使用場景尚待發掘。通用型ZKVM緊鑼密鼓開發，ZK對應高級語言也有待技術人員的學習，從技術成熟到解決問題還有一段時間。想要用ZK解決問題，founder需要回答：如果是個細分場景，是否需要自己用WASM去搭建，一旦ZKVM成熟，自己的技術積累是否還有先發優勢？是否支持其他ZKapp調用？

展望與結論

ZK的技術具有隱私和擴容兩個最主要的使用場景，當我們討論隱私的時候，我們實際上是在保護鏈下數據，不被獲取；而當我們討論擴容的時候，我們是利用ZK節省鏈上計算空間。

ZKVM發展的核心權衡技術與devs。圍繞著發揮ZK潛力，意味著CPU寄存器的硬件加速，IR語言和assembly語言的再組織；而圍繞著利用開發者資源，則意味著Solidity轉化bytecode后，如何將Bytecode所映射的opcode，進行ZK證明的問題。

以assembly語言獨立設計ZK證明的專用型的ZKapp，由于具有較低的可組合性和解耦能力，將在未來的發展過程中面臨很大的阻礙。這些方案由于和其他ZK方案不兼容VM，不兼容語言，不兼容證明，存在較大的調用難度。

按照模塊化區塊鏈的觀點，L1解決共識問題，L2解決計算和執行問題，DA層解決數據可得性和完整性的問題。由于Zk類，數據安全性和證明的完整性決定了其執行的可靠性。這里有一對矛盾，如果我們不信任鏈下節點，希望將數據交由DA獨立存儲，那么對DA鏈就提出安全的要求，；如果存在本地，保證數據不被篡改，就需要證明節點本身不去作惡。這些都提升了對MPC/FHE解決方案的需求。

在目前ZK方案大部分閉源的狀態下，目前大量的共識還是建立在鏈下節點的自律上，缺乏一系列必要的工具，來保障鏈下環境的安全性。未來contraint設計和代數證明將成為兩個最主要的審計環節。

ZK生態主要的風險。典型問題包括：約束系統不充分。當證明一些復雜交叉的命題時，約束面臨不夠充分的問題；私有數據泄露。私有數據當做公開數據處理；針對鏈下數據的攻擊，合約層的“metadata-attack”；ZK證明節點的作惡等等。

隨著不同Circuit的不斷成熟，Sequencer/Roller/Miner也會迎來提效和分工，我們期待ZK證明的硬件加速機會。

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