对于区块链未来而言，zkEVM 将是十分重要
原文：Zero Knowledge EVMs: What is a zkEVM?
作者：Alchemy
编译：zCloak Network
原用标题（译后）：什么是 zkEVM（零知识以太坊虚拟机）?
前言
zkEVM 通过生成零知识证明来验证程序的正确性，它以支持零知识技术的方式执行智能合约。
zkEVM 是 zk-rollups 的一部分。zk-rollups 是以太坊 L2 扩展解决方案，它通过将计算和状态存储转移到链外来提高吞吐量，并将交易数据与零知识证明一起提交给以太坊，以验证链外交易批的有效性。
早期的 zk-rollups 无法执行智能合约，只被局限地应用在简单的代币交换和支付之中。随着引入 EVM 兼容的 zkVM，zk-rollups 才开始支持以太坊 dApps。
在这篇文章中，我们将探讨 zkEVM 如何工作，为什么它如此重要，以及目前有哪些类型的 zkEVM。
什么是 zkEVM
zkEVM 是一个支持零知识证明计算的 EVM 兼容的虚拟机。与普通虚拟机不同，zkEVM 可以证明程序执行的正确性，包括操作中使用的输入和输出的有效性。
EVM 的兼容性
EVM 是一个 runtime 环境，用来执行部署在以太坊上的智能合约。EVM 的功能就好比是一台为运行在以太坊区块链上的 dApps 提供动力的 “世界计算机” 。
如果一个虚拟机能够运行那些可以在 EVM 环境中运行的程序，那么它就是 “EVM 兼容” 的，这样的虚拟机可以执行那些用 Solidity 或以太坊开发中使用的其它高级语言编写的智能合约。也就是说，zkEVM 之所以 EVM 兼容，是因为它可以执行以太坊智能合约，且同时无需对底层逻辑进行大量修改。
支持零知识技术
EVM 在设计之时，并未考虑到要支持零知识证明，这使得构建 EVM 兼容的零知识友好虚拟机变得困难。不过伴随研究方面的进展，使得可以将 EVM 的计算包裹到零知识证明中。
不同的 zkEVM 项目采用不同的方法结合 EVM 的执行和零知识证明的计算。每种方法都有各自的权衡考虑，这将在后文中探讨。
zkEVM 是如何工作的 ？
与 EVM 一样，zkEVM 也是一个基于程序操作结果而在不同状态之间转换的虚拟机。但 zkEVM 更进一步，它通过产生一个证明来证明计算的每一部分是正确的。本质上，zkEVM 使用一种机制来证明执行步骤是遵循了规则的。
为了理解 zkEVM 是如何工作的，让我们先回顾一下 EVM 目前是如何工作的。
EVM 如何工作
EVM 是一个状态机，它根据某些输入从旧状态转换到新状态。每个智能合约的执行都会触发 EVM 状态的变化（称为 "状态转换"）。下面是一个智能合约交易过程中所发生情况的高级概述。
1. 合约字节码（由源代码编译而成）从 EVM 的存储中加载，并由 EVM 上的点对点节点执行。节点使用相同的交易输入，以保证每个节点都将得到相同的结果（否则他们无法达成共识）。
2. EVM 操作码（包含在字节码中）与 EVM 状态的各个部分（内存、存储和堆栈）交互。操作码执行读写操作（read-write operations）—— 从状态存储中读取（获取）数值，并将新数值写入（发送）到 EVM 的存储中。
3. EVM 操作码在返回新数值之前，会对从状态存储中获得的数值进行计算，这种更新会使 EVM 转换到一个新的状态（交易因此被称为 "状态转换"）。这个新状态被其它节点复制，直到另一个交易被执行。
zkEVM 如何工作
zkEVM 通过生成零知识证明来验证每次计算中的各种元素。
1. 字节代码访问：是否从正确的地址正确加载了适当的程序代码？
2. 读写操作：
a. 在计算之前，程序是否从堆栈/内存/存储中获取了正确的值？
b. 在完成执行之后，程序是否将正确的输出值写入了堆栈/内存/存储？
3. 计算：操作码是否正确执行（即一个接一个，不跳步）
zkEVM 的结构
zkEVM 分为三个部分：执行环境、证明电路和验证者合约。每部分都对 zkEVM 的程序执行、证明生成和证明验证有所贡献。
1. 执行环境
顾名思义，执行环境是程序（智能合约）在 zkEVM 中运行的地方。zkEVM 的执行环境功能很像 EVM：采取初始状态和当前交易来输出一个新的（最终的）状态。
2. 证明电路
证明电路产生零知识证明，验证在执行环境中计算交易的有效性。证明生成过程是通过使用前状态、交易输入和后状态信息来作为输入完成的。之后，证明者获得该特定状态转换的有效性简洁证明。
3. 验证者合约
zk-rollups 将有效性证明提交给部署在 L1 链（以太坊）上的智能合约以进行验证。输入（前状态和交易信息）和输出（最终状态）也将会提交给验证者合约。然后，验证者对提供的证明进行计算，并确认提交的输出是由输入正确地计算出来的。
什么是 zkEVM 操作码？
zkEVM 操作码是用于在 EVM 兼容的 zk-rollups 中执行程序的低级机器指令。与 EVM 一样，用高级语言编写的合约必须被编译成虚拟机可以解释的低级语言（字节码），当在虚拟机中部署程序的时候，该字节码指定了执行程序时所需使用的操作码。
zkEVM 操作码是非常有必要的，因为普通的 EVM 操作码在零知识证明电路中的使用效率非常低。通常有两种方法来创建 zkEVM 的操作码：
- 为原生 EVM 操作码建立零知识电路
- 为零知识证明计算创建新语言
为原生 EVM 操作码建立零知识电路
这种方法需要在算术电路中实现所有的 EVM 指令集，是一项复杂而费时的任务。好处是开发者可以使用现有的区块链开发者工具创建智能合约，或者将现有的以太坊合约移植到 zk-rollups，而无需对其进行大量修改。
为零知识证明计算创建新语言
这种方法需要为有效性证明开发一种新语言和自定义操作码。开发人员直接用新语言编写合约，或者将 Solidity 源代码编译为自定义的 zkEVM 操作代码。
虽然这种方法通常比第一种方法更容易实现，但可能导致开发人员无法访问现有的以太坊基础设施和资源。
构建 zkEVM 的困难点在哪里？
由于 EVM 在建造时并没有考虑到零知识计算，所以它的一些特性对证明电路来说是不太友好的。以下四个方面是使构建 zkEVM 变得困难的主要原因：
- 特殊操作码
- 基于堆栈的结构
- 存储开销
- 证明成本
1. 特殊操作码
与普通的虚拟机有所不同，EVM 在程序执行（CALL、DELEGATECALL）和错误处理（REVERT、INVALID）等操作中使用了特殊的操作码，它增加了 EVM 操作证明电路设计过程的复杂性。
2. 基于堆栈的架构
EVM 使用的基于堆栈的结构，虽然比基于寄存器的结构简单，但增加了证明计算的难度。这就是为什么那些著名的 zkVM，如 ZkSync 的 zkEVM 和 StarkWare 的 StarkNet 都使用基于寄存器的模型。
3. 存储开销
EVM 的存储布局依赖于 Keccak 函数和 Merkle Patricia Trie，这两者的证明开销都很高。一些 zkVM，如 ZkSync，试图通过替换 Keccak 256 函数来避开这个问题，但这可能会破坏与现有以太坊工具和基础设施的兼容性。
4. 证明成本
即使解决了上述问题，仍还需处理生成证明的过程。生成零知识证明需要专门的硬件，以及需要投资大量的时间、金钱和精力成本。
以上这些问题阻碍了建立与 EVM 兼容的 zkEVM。然而，零知识技术方面的一些突破，在一定程度上已经可以缓解这些问题带来的影响，这使人们重新对 zkEVM 解决方案产生兴趣。
为什么 zkEVM 如此重要
建立功能齐全的 zkEVM 将鼓励开发与 EVM 兼容的 zk-rollups 项目。这样做有几个优点：
- 安全的可扩展性
- 更便宜的成本
- 更快的最终确定性和资本效率
- 网络效应
1. 安全的可扩展性
根据协议规则，所有验证节点必须重新执行在 EVM 中进行的所有计算。这种方法确保了安全性，因为以太坊节点可以独立验证程序的正确性，但它限制了以太坊网络的可扩展性，每秒只能管理 15-20 笔交易。
与 EVM 兼容的 zk-rollups 可以在解决以太坊吞吐量问题的同时，而不破坏网络的安全性。和其它扩展协议一样，zk-rollups 不受以太坊共识协议规则的影响，并且可以优化执行速度。一些估测资料显示，zk-rollups 每秒可以处理约 2000 个交易，且不会产生高额费用。
除此以外，与其它扩展项目相比，zk-rollups 具有更高的安全保障 —— 它们用有效性证明验证链外计算的正确性。也就是说，智能合约在 L2 上执行的交易可以在 L1（以太坊）上得到可靠的验证，但无需节点重新执行操作。这大大增加了以太坊的处理速度且不降低安全性。
2. 更便宜的成本
Rollups 通过将交易数据作为 CALLDATA 写入以太坊，来承袭以太坊主网的安全性。不过 optimistic rollups 和 zk-rollups 需要在以太坊上发布的数据多少是有区别的。
由于 optimistic rollups 不提供链外交易的有效性证明，所以它们需要在链上发布所有与交易相关的数据（包括签名和交易参数）。如果不把所有数据放在链上，挑战者就无法构建用于争议无效 rollups 交易的欺诈证明。
相反，即使只向以太坊发布最少的数据量，zk-rollups 也负担得起。因为有效性证明已经保证了状态转换的可信性。zkEVM 甚至可以省略交易输入，只发布最终的状态变化，进一步减少对 CALLDATA 的需求。
这对开发者和用户来说都是有益的，因为很大比例的 rollups 成本来自于在链上发布数据。通过将 CALLDATA 的调用减少到最低限度，zk-rollups 可以降低 dapps 的使用成本，比如去中心化的交易所、NFT 市场、预测市场等等。
3. 更快的最终确定性和资本效率
除了更好的安全性之外，zk-rollups 相较 optimistic rollups 还有一个优势：更快的最终确定性。区块链中的最终确定性是指交易变为不可逆所需的时间；只有当网络参与者对交易的有效性有客观证明时，交易才能最终完成最终确定性。
基于 zk-rollups，在 zkEVM 中执行的交易通常在发布到以太坊上后立即被最终确定。归功于每个交易批都带有即时可验证的有效性证明，以太坊主链可以快速应用状态更新。
由于 optimistic rollups 只发布没有证明的虚拟机交易，所以挑战期必须在交易实现最终确定性之前结束。挑战期长达 1-2 周，在此期间，任何人都可在交易提交给以太坊之后对其提出挑战。
较慢的最终确定性对用户体验有很多影响。例如，在挑战期结束之前，用户不能从 rollups 中提取资产。或许流动性供应商愿意解决这个问题，但如果提款涉及高额资产甚至 NFT，可能他们也无能为力了。
但 zkEVM 没有上述这些问题。更快的最终确定性对于重量级用户来说是非常好的，如 NFT 交易者、DeFi 投资者或需要无缝移动资产（特别是在 L1 和 L2 之间）的套利交易者。
4. 网络效应
构建 EVM 兼容的 zkVM 的最重要原因是为了利用以太坊的网络效应。以太坊作为世界上最大的智能合约平台，拥有一个为开发者和项目提供价值的庞大生态系统。例如，开发人员可以访问经过审计和战斗测试的代码库、广泛的工具、文档等。如若创建一个与以太坊基础设施不兼容的新 zkVM， 则会阻断项目和开发团队利用以太坊的网络效应。
存在哪些类型的 zkEVM
目前的 zkEVM 项目主要分为两类：支持原生 EVM 操作码的 zkVM，和使用定制 EVM 操作码的 zkVM。接下来我们将比较不同的 zkEVM 协议，并了解它们是如何工作的。
- Polygon zkEVM
Polygon Hermez 是一个具有 zkVM 的 Polygon zk-rollup，旨在支持 EVM 的兼容性。为此，EVM 字节码被编译成 “微操作码（micro opcodes）” 并在 uVM 中执行，uVM 使用 SNARK 证明和 STARK 证明来验证程序执行的正确性。
将这两种证明类型结合起来是一个战略性的决定。STARK 证明的生成速度更快，SNARK 由于证明更小，所以在以太坊上验证会更便宜。
Polygon Hermez zkEVM 使用一个 STARK 证明电路来生成状态转换的有效性证明，用 SNARK 证明验证 STARK 证明的正确性（可以认为是生成 "证明的证明"），并将 SNARK 证明提交到以太坊进行验证。
- zkSync zkEVM
zkSync 由 Matter Labs 开发，是一个由自己的 zkEVM 驱动的 EVM 兼容的 zk-rollups。ZkSync 通过以下策略实现了 EVM 兼容。
1. 将 Solidity 编写的合约代码编译成 Yul。Yul 是一种可以被不同的虚拟机编译成字节码的中间语言。
2. 将 Yul 字节码（使用 LLVM 框架）重新编译为专为 zkSync zkEVM 设计的自定义、电路兼容的字节码集。
与 Polygon Hermez 一样，zkSync zkEVM 在语言层面实现了 EVM 的兼容性，而不是在字节码层面。例如，zkSync zkEVM 不支持传统的乘法和加法操作码（ADDMOD、SMOD、MULMOD）。
- Scroll zkEVM
Scroll 是一个正在开发的新的 zkEVM 实现。Scroll 团队计划为每个 EVM 操作码设计零知识电路。这将允许开发人员在 Scroll 上部署以太坊原生智能合约 EVM，而无需修改底层 EVM 字节码。
在其它方面，Scroll zkEVM 将使用 “加密累积器（cryptographic accumulator）” 来验证存储的正确性。这被用来证明合约字节码从给定的地址被正确地加载。
它还提供了一个电路，用于将字节码与执行跟踪联系起来。执行跟踪是一个序列，它指定了哪些虚拟机指令以何种顺序被执行。证明者将在证明生成过程中提交执行跟踪，以验证计算是否与原始字节码一致。
- AppliedZKP zkEVM
Applied ZKP 是一个由以太坊基金会资助的项目，旨在开发一个 EVM 兼容的 zk-rollup 和一个为以太坊区块生成有效性证明的机制。后者是至关重要的，因为将区块与有效性证明配对将消除节点重新执行区块的需要。
Applied ZKP 的创新是将计算与存储分离。它使用两种类型的有效性证明 —— 状态证明和 EVM 证明。
- 状态证明
检查触及存储、内存和堆栈的操作是否正确地发生。状态证明本质上是验证读写操作的准确性。
- EVM 证明
检查计算是否在正确的时间调用了正确的操作码。EVM 证明验证了计算本身，也确认了状态证明对每个操作码执行了正确的操作。
AppliedZKP zkEVM 使用一个总线映射来连接状态证明和 EVM 证明。而且，在以太坊区块被视为有效之前，这两个证明都必须得到验证。
zkEVM 的开发行至何处了？
除了 zkSync，大多数 zkEVM 仍在开发完善中。尽管如此，零知识技术的不断发展意味着全功能的 zkEVM 的前景比以往任何时候都要好。
同时，开发者可以利用 StarkNet zkVM 来发挥零知识应用的优势。StarkNet 虽然与 EVM 不兼容，但可以将 Solidity 源代码编译成自定义的零知识友好的字节码。你也可以选择用 Cairo（StarkNet 的语言）编写合约。
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