zkEVM 一直以來都是 layer2 和以太坊擴容的聖杯，並處於區塊鏈&以太坊的最前沿，這一領域匯聚了很多零知識證明和工程創新，以及以太坊生態系統中所有最有才華的人。這是一個非常有趣且非常值得研究的話題，在這篇文章中，我將帶領大家深入了解 zkEVM，並解釋 EF 和 @Scroll_ZKP 的原生 zkEVM 架構。
作者：Luozhu 丨經作者授權發布
編譯： DYan，Web3Cafff 譯者
封面： Photo by Steven Lelham on Unsplash
zkEVM 的三個層級
首先並不是所有的 zkVM 都等同於 zkEVM，即使是 zkEVM 本身也分為三個層次（感謝 @drakefjustin 的研究）
第一層是 “語言層”（兼容 EVM），即將適配 EVM 的語言（例如 Solidity 或 Yul）編譯成適配零知識證明的語言（例如 @zksync ‘ zinc，和 @StarkWareLtd 的 Cairo），然後編譯 Zinc 和 Cairo 代碼運行在對應的虛擬機上，這可能和以太坊的 EVM 完全不同。
這種解決方案的優點是，我們可以從頭開始設計一個對零知識證明兼容的虛擬機，而不受過去 EVM 設計的限制。
@gavofyork 沒想到有一天 zk-snark 會用在 EVM 中，所以如果將零知識設計結構直接應用在 EVM 的很多地方，會造成巨大的開銷，尤其是運行 Keccak 哈希算法和 MPT 算法時，詳情參考 @yezhang1998 的文章 https://hackmd.io/@yezhang/S1_KMMbGt。這些缺點導致開發者很難獲得最佳的開發體驗，這些 zkVM 在底層使用自己語言的指令集，且不能支持很多重要的 EVM 操作碼。
因此，開發者要想獲得最佳的開發體驗，他們可能需要學習這些 zkVM 自帶語言（如 Cairo），這可能會導致 zk-Rollup 無法直接繼承 Layer1 生態，並且 Layer2 開發者也因為開發語言問題而無法順利編碼。
第二個層級是 “字節碼級別”（等同於 EVM），既可以在 solidity 語言級別實現兼容，又可以在 EVM 操作碼級別實現完全兼容，只有達到字節碼級別兼容，才能稱為 “zkEVM”。在 zkEVM 基礎上，solidity 開發者可以獲得最佳的開發體驗，L1 應用和開發工具基本可以不加修改地遷移到 L2，現階段的 @Scroll_ZKP 和 EF 原生 zkEVM 的（包括 @ConsenSys 和 @0xPolygonHermez 的努力），都是針對字節碼級別的 zkEVM。
第三層是 “共識層”，也是最終的 zkEVM，它不僅將在語言和字節碼層面實現兼容性，而且在共識層面也實現了兼容性。當實現共識層兼容後，每個礦工在生成區塊時都會為此區塊生成一個證明，當所有節點同步時，只需要驗證生產的證明是否有效，無需重新計算所有交易。並且基於 Halo2 算法的遞歸證明，可以用一個證明來驗證整個區塊的歷史是有效的，那時同步節點甚至不需要驗證每一個證明，只需要驗證最後一個證明就可以接入網絡。
從長遠來看，當同步一個以太坊節點只需幾分鐘甚至幾秒鐘，任何人都可以輕鬆加入以太坊網絡時，以太坊將變得更加去中心化和可靠，我真的很期待看到它發生。
所以 zkEVM 的最終目標其實就是把它應用到 L1 上，取代我們現在的 EVM（非常有野心！）。這也是 EF ( @PrivacyScaling ), @Scroll_ZKP 和我們一起努力的最終目標，詳情見 @VitalikButerin 發送的以太坊路線圖的最後部分—“zk-snark Everything”，我相信 @VitalikButerin 和 @barrywhitehat 也會探索堆棧解決方案。
零知識證明
是什麼讓 zkEVM 即將發生
有很多密碼學突破可以讓 zkEVM 從想像變為現實，其中最重要的就是 Plonk 算法和 Halo2 算法，詳情可以看 @Zac_Aztec 這個帖子，他也是 Plonk 算法和 @aztecnetwork 的創始人。
https://platform.twitter.com/embed/Tweet.html?dnt=true&embedId=twitter-widget-0&features=eyJ0ZndfZXhwZXJpbWVudHNfY29va2llX2V4cGlyYXRpb24iOnsiYnVja2V0IjoxMjA5NjAwLCJ2ZXJzaW9uIjpudWxsfSwidGZ3X3JlZnNyY19zZXNzaW9uIjp7ImJ1Y2tldCI6Im9mZiIsInZlcnNpb24iOm51bGx9LCJ0Zndfc2Vuc2l0aXZlX21lZGlhX2ludGVyc3RpdGlhbF8xMzk2MyI6eyJidWNrZXQiOiJpbnRlcnN0aXRpYWwiLCJ2ZXJzaW9uIjpudWxsfSwidGZ3X3R3ZWV0X3Jlc3VsdF9taWdyYXRpb25fMTM5NzkiOnsiYnVja2V0IjoidHdlZXRfcmVzdWx0IiwidmVyc2lvbiI6bnVsbH19&frame=false&hideCard=false&hideThread=false&id=1440295503938215947&lang=zh-cn&origin=https%3A%2F%2Fweb3caff.com%2Fzh%2Farchives%2F16657&sessionId=3f5482e58ef4d158c772fca3b745f76e967797cf&theme=light&widgetsVersion=b45a03c79d4c1%3A1654150928467&width=550px
Plonk 算法是基於 Sonic 結合數學多項式的創新
基於 Sonic 算法，Plonk 有一個 “通用且可更新” 的可信設置，即只需要一個設置，然後就可以重複使用，並且基於多項式推導（非常漂亮的數學公式），我們可以使用表現項更直觀的 PLONKish 算法，這比 groth16 和其他 zk-snark 證明方案使用的 R1CS 算法更好，更多信息請見 https://www.youtube.com/watch?v=bz16BURH_u8
zkEVM 也使用了 Plonkish 的兩個非常重要的特性，即 “自定義門” 和 “查找表參數”。
Plonk 的這兩個特性讓我們可以編寫高度自定義的約束條件，這對減少算法的開銷很有幫助（後面你會發現，我們經常在原生 zkEVM 架構中使用這兩個特性）。https://www.youtube.com/watch?v=Vdlc1CmRYRY 感謝 @zeroknowledgefm 積累了這麼多的零知識證明的資源，讓大家了解零知識證明背後的神奇魔力和奇妙的數學。
原生 zkEVM 架構
正如我們之前提到的，Native zkEVM 不僅會在 zk-Rollup 中使用，而且也會取代我們現在的 L1 EVM，成為 L1 zkEVM，所以它的設計/代碼和架構非常值得學習（也是最前沿的創新！）
眾所周知的 EVM 本質上是一個狀態機，通過交易驅動 state1 到 state2，所以可以理解為驅動最小狀態變化的操作是一個事務（其實就是 trace）。
如果我們可以得到交易並約束/證明它們，那麼就可以約束/證明整個狀態機。
zkEVM 的基本思想是創建一個 EVM 架構來約束 EVM（狀態機）並證明 EVM 的所有執行邏輯是正確的，這個 EVM 架構可以獲取所有交易，以及該交易調用的每個特定操作碼，然後證明每筆交易，以及每筆交易調用的所有操作碼，操作碼的操作邏輯，甚至操作順序，都是完全正確的。
但在我們的實際操作時，我們發現如果只用一個架構（EVM 架構）去約束 EVM，這個架構會變得非常龐大，最後會增加不必要的複雜度和開銷，所以我們根據 EVM 的不同模塊設計了不同的子架構/表格查詢，當需要證明時，我們只需要查詢對應的表（一個表大概是這個樣子，根據需求填寫不同的變量）。
比如是內存/堆棧/存儲讀&寫的邏輯，EVM 架構會查詢狀態表，如果是涉及操作碼的操作，EVM 架構會查詢字節碼表，同理，事務和區塊會分別查詢事務和區塊表。
這裡狀態架構在約束存儲相關操作（狀態表）時需要操作 MPT，所以查詢對應的 MPT 表，交易架構在計算哈希和交易簽名驗證時，也需要查詢對應的 Keccak 表和 Sig 表。
這個表不是固定的，而是根據不同的操作填入不同的值（這也是 zkEVM 能變得通用的原因之一），所以證明者有能力填寫虛假值來偽造一個無效的表。因此，為了保證查詢表格的正確性，我們為每個表格設計了一個架構，每個架構與對應表格都有一些特定的多項式約束，以保證表格完全正確。
當一個事務進入 EVM 架構時，它所涉及的所有操作（操作碼、堆棧/存儲等）都會被重新排序，然後分配給不同的子架構，這些子架構將證明這些操作的正確性並生成證明。最後，這些子架構生成的證明將輸入到聚合架構中，聚合架構將這些單個證明轉變為聚合證明。
之後就可以將聚合證明發送到 L1 合約來驗證證明的有效性，這也是 Scroll 在高級別架構的工作流程。
結束和開始
zkEVM 是 “zk Everything” 的里程碑，只有在實用的 zk-proving 系統成熟之後才能出現的創新，在研究 zkEVM 的過程中，我對它背後的數學機製印象深刻，我相信零知識證明是一個巨大的創新，我們正處於這個創新的最前沿。
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