zkSync2.0主網上線之際淺析各類zkEVM_ROL

以太坊的發展路線越來越傾向于ModularBlockchain，其本質就是Layer1的datasharding和Layer2的Rollups擴容相結合，成為一種模塊化架構，從而推動以太坊實現“世界計算機”的初衷。其中Rollups的技術路徑選擇方面，ZKRollup被認為是以太坊擴容的最終目標。

ZKRollup

ZKRollup的核心工作機制是將鏈上的用戶狀態壓縮存儲在一棵Merkle樹中，并將用戶狀態的變更轉移到鏈下進行，同時通過zksnark/zkstark證明來保證該鏈下用戶狀態變更過程的正確性。通俗地理解，ZKRollup可以理解為通過zksnark或zkstark來使用亞線性處理以驗證線性數量的語句。比如，1000條語句需要10次驗證者檢查，10000條語句需要11次驗證者檢查。所以，呈現出來的結果是，ZKrollup可以實現以太坊擴容。

ZKRollup的大致區塊鏈事務處理過程如下：

用戶將他們的資產鎖定在L1上的zkrollup智能合約中；

用戶將涉及這些資產的交易提交給L2，L2中的某些角色將這些交易通過某些規則收集成有序批次，并為每個批次生成有效性證明和聚合狀態更新；

數據：過去一周主流Layer2中僅zkSync Era TVL實現增長，增幅為12.71%:6月29日消息，據L2BEAT數據，過去一周主流Layer2網絡中僅zkSync Era TVL實現增長，其TVL為6.58億美元，增幅為12.71%。TVL排名前二Layer2為Arbitrum One和OP Mainnet，其TVL降幅分別為2.21%和9.36%。[2023/6/29 22:08:21]

這個狀態更新和證明被提交到L1的zkrollup智能合約并被驗證，就會更新在L1的區塊鏈上；

用戶可以使用這種L1狀態來檢索他們的資產，從而實現完全的自我托管，所以zkrollup也被認為繼承了以太坊安全。

zkEVM的必要性

眾所周知，第一代的ZKRollups是不支持EVM的，可編程性和可組合性較差，只能限定在一些特定的場景，比如：Loopring只能限定在Payments&Swaps等場景；Immutable只能限定在NFTMinting&Trading&Games等場景；zksync1.0其實也不支持zkEVM。不具有通用性。

后來，頭部的那些ZKRollups開始探索，在ZKRollup上研發支持EVM字節碼的代碼執行環境，從而使得以太坊上的智能合約可以從以太坊遷移到ZKRollup上，而無需從頭開始編寫代碼。

zkSync獨立存款地址突破100萬個，橋接鎖倉量超6億美元創歷史新高:金色財經報道，21 Shares母公司21.Co鏈上數據研析師Tom Wan在社交媒體透露數據顯示，zkSync獨立存款地址已突破100萬個，本文撰寫時達到101萬，橋接鎖倉量為6.078億美元創歷史新高，其中ETH占比約為75.7%，USDC占比約21%，MUTE占比約1.4%。[2023/6/25 21:58:19]

EVM是第一個圖靈完備的區塊鏈虛擬機，于2015年發布。它是迄今為止最久經考驗的區塊鏈虛擬機，也是以太坊非常重要的智能合約基礎設施。甚至在談到其他區塊鏈時，也會將EVM兼容與否作為一個評判維度，因為EVM兼容的背后代表的不僅僅是智能合約執行環境，也代表著可用的以太坊生態和工具集，更代表著不可忽視的網絡效應。所以，ZKRollups也沒敢忽略這一塊兒。

zkEVM則可以理解為將EVM作為智能合約引擎運行在ZKRollup中。zkEVM的目標是在不失去Rollup性能優勢的基礎上，將以太坊體驗完全帶入到L2。

截至目前，zkSync2.0、PolygonHermez2.0、Scroll等頭部的通用ZKRollup項目都已經先后推出了zkEVM測試網，StarkNet則已經進入到了AlphaMainnet階段。

zkEVM的兼容性分類

當前的ZKRollups的zkEVM與Ethereum本身并非完全兼容，更遑論“以太坊等效”的終極愿景。所以，不僅以太坊本身的升級規劃在遷就Rollup友好型，各個ZKRollup項目也一直在解決與以太坊的兼容性問題。

Sui聯合創始人：Sui已支持Groth16 zkSNARK算法:11月19日消息，Sui Network聯合創始人Kostas Kryptos發推稱，Sui歡迎零知識證明，用戶現已可以其交易事務中附加Groth16 ZKP證明，由于我們的后端結合了Arkworks和BLST，因此這樣做可以提升2倍的驗證性能速度。”與此同時，Kostas分享的Sui Github界面顯示關于Groth16的模塊已于今日提交。

注：Groth16是zkSNARK的典型算法，系Groth在2016年發表的一篇論文中提出，目前該算法在ZCash，Filecoin，Coda等多個項目中均有應用。[2022/11/19 13:24:11]

Vitalik根據與現有EVM基礎設施的兼容性程度，將zkEVM通用ZKRollup分為4類：

Type-1：完全等效于以太坊

Type-1型zkEVM力求完全且毫不妥協地與以太坊等效。無需改變以太坊系統的任何部分，無需取代哈希、狀態樹、事務樹、預編譯或任何其他共識邏輯。簡而言之，Type-1型的zkEVM完全等效于Ethereum。

Type-1型zkEVM能夠像以太坊一樣驗證以太坊區塊，或者至少驗證執行層端。

double jump.tokyo旗下N Suite宣布加入zkSync生態:10月3日消息，日本加密游戲初創公司double jump.tokyo宣布與以太坊L2可擴展解決方案zkSync達成合作，旗下N Suite也將被納入zkSync生態。N Suite總監Hirofumi Aoki稱，使用zkSync將降低交易成本、提高交易速度并增強用戶體驗，N Suite的目標和潛在客戶主要是NFT項目方，他們一直以來都在尋求可擴展網絡來部署其項目，整合zkSync生態可以釋放大量用例并加速業務拓展。[2022/10/3 18:38:09]

Type-1型zkEVM是以太坊最終需要的，也是Rollups的最理想選擇。一方面，Type-1型zkEVM可以讓Rollups重用大量的基礎設施；另一方面，Type-1型zkEVM能使得以太坊Layer1本身更具可擴展性，因為在Type-1型zkEVM上探索的一些對以太坊的修改，也許未來會被引入到Ethereum本身。

當然，Type-1型zkEVM也有缺陷。以太坊最初并非圍繞ZK友好型設計的，因此以太坊協議的許多部分需要大量計算才能進行ZK證明。Type-1型與以太坊一樣，無法緩解在這個事情上的低效。針對這個問題，目前行業里提出的解決方案主要是：通過巧妙的工程大規模并行化證明，或通過ZK-SNARKASIC來實現硬件加速。

目前，主要有兩個團隊在嘗試探索Type-1ZK-EVM，一個是PrivacyandScalingExplorationsteam，一個是Taiko。

zkSync：zkSync 1.0運營現已恢復，恭喜以太坊社區完成合并:9月15日消息，以太坊 Layer2 擴容解決方案zkSync在其社交平臺表示，zkSync 1.0運營現已恢復，恭喜以太坊社區完成合并。zkSync 的使命是擴展以太坊的價值和安全性，將繼續致力于加速加密貨幣的大規模采用以實現個人主權。[2022/9/15 6:58:20]

Type-2:完全等效于EVM

Type-2型zkEVM力求完全等效于EVM，但不完全等效于以太坊。它們與現有的應用程序也完全兼容，但需要對以太坊進行一些小的修改，以使開發更容易并更快地生成證明。

Type-2型zkEVM對區塊結構和狀態樹之類的數據結構有一些修改。由于這些是EVM本身無法直接訪問的結構，所以在以太坊上運行的應用程序幾乎可以直接在Type-2型zkEVMRollup上運行。雖然無法按原樣直接使用以太坊執行客戶端，但通過一些修改仍可以使用它們，并且還可以使用EVM調試工具和大多數其他開發工具。

通過刪除部分不必要的和ZK不友好的以太坊堆棧，Type-2zkEVM的證明時間比Type-1zkEVM更快些。這些修改雖然顯著提高了證明者的效率，但并沒有根本性解決證明時間慢的問題。總而言之，Type-2的證明時間還是很慢。

Type-3:幾乎等效于EVM

Type-3型zkEVM幾乎與EVM等效，在兼容性方面也有所犧牲，但其EVM更易于開發。

Type-3型zkEVM通過刪除一些在zkEVM中很難實現的功能，以及在處理合約代碼、內存或堆棧方面的調整，總體在等效性方面做出了一些犧牲，實現了更多的驗證器時間、并使EVM更易于開發。

在兼容性方面有所犧牲，由于有一些應用程序使用了被Type-3型zkEVM刪除的預編譯，這些應用程序需要對其中的部分進行重寫。

目前，Scroll和Polygon都屬于Type-3。當然，從長遠來看，還沒有哪個zkEVM團隊公開表明愿意長期停留在Type-3。Scroll和PolygonHermez都在朝著Type-2型zkEVM的方向發展，雖然還有許多復雜的預編譯還沒有實現。

Type-4:高級語言等效

Type-4類實際上屬于zkVM。Type-4系統通過獲取以高級語言編寫的智能合約源代碼，并將其編譯為明確設計為ZK-SNARK友好的某種語言來工作。

優劣勢都很明顯。有非常快的驗證時間，因為Type-4類不對每個EVM執行步驟的所有不同部分進行ZK證明，而是從更高級別的代碼開始，從而降低成本并獲得更快驗證時間。兼容性較差，合約在Type-4系統中的地址與它們在EVM中的地址不同；手寫的EVMbytecode更難使用；很多調試的基礎設施不能被繼承，因為這些基礎設施是運行在EVM字節碼上。

總而言之，Type-4屬于語言級別等效，與字節碼級別等效相比在兼容性方面有較大差距。根據Vitalik的觀點，目前主要有Zksync屬于Type-4類，盡管隨著時間的推移它可能會增加對EVM字節碼的兼容性；基于Nethermind的warp項目正在構建從Solidity到Starkware的Cairo編譯器也會把StarkNet變成Type-4型。

各類zkEVM的比較

這些zkEVM并沒有絕對的優劣之分。它們只是在兼容性與速度之間有所取舍，Type-1型zkEVM與以太坊的兼容性最高，但證明速度較慢；Type-4型zkEVM與以太坊的兼容性較差，但驗證速度更快。而且我們會發現，現有的ZKRollup的明星項目，包括Zksync、StarkNet、Polygon、Scroll等都屬于Type-4/Type-3這樣的與以太坊兼容性沒有那么高的zkVM/zkEVM類型。

Vitalik是希望隨著時間的推移，通過zkEVM的改進和以太坊本身的改進相結合，最終所有zkEVM都成為Type-1類。這樣的好處在于，未來會有多個zkEVM，既可以用于ZKRollup，也可以用于驗證以太坊鏈本身。

Vitaliki提出的觀點，一般來說很容易達成整個行業的共識，我也非常認可。Type-1型zkEVM的項目在Ethereum生態自然是最受歡迎的、也比較匹配EthereumL1。但Type-4類zkVM也未嘗不是執行層項目的一個好的技術方案選擇。主要有兩點考慮：

放在ModularBlockchain的敘事下，zkVM更方便對接其他L1。如果跳出只是做以太坊生態L2的思維，沒有在字節碼級別兼容以太坊虛擬機，而是選擇采用zkVM，也許反而方便未來對接到其他的L1共識層；

現在ZKRollup的性能頂板是受限于證明生成速度，Type-4類zkVM有優勢。執行層的生成證明的速度還是非常重要的，L2把執行層的性能做到極致，也未嘗不是一個好的思路。雖然說未來能夠通過ASIC硬件加速來提高生成證明的效率，但效果猶未可知，Type-4類zkVM的證明生成速度較快是個挺重要的優勢。

當然，zkEVM的兼容性和速度實際上并不是開發者考量基于哪個ZKRollup去做應用的唯一指標。還有許多其他的因素會影響他們的選擇，比如：

費用：以哪些代幣支付費用，L2費用的降低程度也是一個非常重要的考量因素，但由于多數通用ZKRollup項目還處于測試網階段，尚無法做對比；

生成證明的規則：支持哪些人作為Prover，甚至采用哪種硬件來加速生成證明；

L2交易排序的規則：采用單個Sequencer還是采用去中心化的方式；

自托管：是否有明確的機制來確保L2發生事故的時候仍然能夠在L1恢復用戶資產；

數據可用性：完整的數據可用性成本自然要高些，是否可接受有些ZKRollup采用的較低成本的數據可用性模式。

總而言之，每種ZKRollup的zkEVM是在諸多性能中有所取舍，實際并沒有絕對的優劣之分。

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