對於區塊鏈未來而言，zkEVM 將是十分重要
原文：Zero Knowledge EVMs: What is a zkEVM?
作者： Alchemy
編譯： zCloak Network
原用標題（譯後）：什麼是 zkEVM（零知識以太坊虛擬機）?
前言
zkEVM 通過生成零知識證明來驗證程序的正確性，它以支持零知識技術的方式執行智能合約。
zkEVM 是 zk-rollups 的一部分。zk-rollups 是以太坊 L2 擴展解決方案，它通過將計算和狀態存儲轉移到鏈外來提高吞吐量，並將交易數據與零知識證明一起提交給以太坊，以驗證鏈外交易批的有效性。
早期的 zk-rollups 無法執行智能合約，只被局限地應用在簡單的代幣交換和支付之中。隨著引入 EVM 兼容的 zkVM，zk-rollups 才開始支持以太坊 dApps。
在這篇文章中，我們將探討 zkEVM 如何工作，為什麼它如此重要，以及目前有哪些類型的 zkEVM。
什麼是 zkEVM
zkEVM 是一個支持零知識證明計算的 EVM 兼容的虛擬機。與普通虛擬機不同，zkEVM 可以證明程序執行的正確性，包括操作中使用的輸入和輸出的有效性。
EVM 的兼容性
EVM 是一個 runtime 環境，用來執行部署在以太坊上的智能合約。EVM 的功能就好比是一台為運行在以太坊區塊鏈上的 dApps 提供動力的 “世界計算機” 。
如果一個虛擬機能夠運行那些可以在 EVM 環境中運行的程序，那麼它就是 “EVM 兼容” 的，這樣的虛擬機可以執行那些用 Solidity 或以太坊開發中使用的其它高級語言編寫的智能合約。也就是說，zkEVM 之所以 EVM 兼容，是因為它可以執行以太坊智能合約，且同時無需對底層邏輯進行大量修改。
支持零知識技術
EVM 在設計之時，並未考慮到要支持零知識證明，這使得構建 EVM 兼容的零知識友好虛擬機變得困難。不過伴隨研究方面的進展，使得可以將 EVM 的計算包裹到零知識證明中。
不同的 zkEVM 項目採用不同的方法結合 EVM 的執行和零知識證明的計算。每種方法都有各自的權衡考慮，這將在後文中探討。
zkEVM 是如何工作的？
與 EVM 一樣，zkEVM 也是一個基於程序操作結果而在不同狀態之間轉換的虛擬機。但 zkEVM 更進一步，它通過產生一個證明來證明計算的每一部分是正確的。本質上，zkEVM 使用一種機制來證明執行步驟是遵循了規則的。
為了理解 zkEVM 是如何工作的，讓我們先回顧一下 EVM 目前是如何工作的。
EVM 如何工作
EVM 是一個狀態機，它根據某些輸入從舊狀態轉換到新狀態。每個智能合約的執行都會觸發 EVM 狀態的變化（稱為"狀態轉換"）。下面是一個智能合約交易過程中所發生情況的高級概述。
1. 合約字節碼（由源代碼編譯而成）從 EVM 的存儲中加載，並由 EVM 上的點對點節點執行。節點使用相同的交易輸入，以保證每個節點都將得到相同的結果（否則他們無法達成共識）。
2. EVM 操作碼（包含在字節碼中）與 EVM 狀態的各個部分（內存、存儲和堆棧）交互。操作碼執行讀寫操作（read-write operations）—— 從狀態存儲中讀取（獲取）數值，並將新數值寫入（發送）到 EVM 的存儲中。
3. EVM 操作碼在返回新數值之前，會對從狀態存儲中獲得的數值進行計算，這種更新會使 EVM 轉換到一個新的狀態（交易因此被稱為"狀態轉換"）。這個新狀態被其它節點複製，直到另一個交易被執行。
zkEVM 如何工作
zkEVM 通過生成零知識證明來驗證每次計算中的各種元素。
1. 字節代碼訪問：是否從正確的地址正確加載了適當的程序代碼？
2. 讀寫操作：
a. 在計算之前，程序是否從堆棧/內存/存儲中獲取了正確的值？
b. 在完成執行之後，程序是否將正確的輸出值寫入了堆棧/內存/存儲？
3. 計算：操作碼是否正確執行（即一個接一個，不跳步）
zkEVM 的結構
zkEVM 分為三個部分：執行環境、證明電路和驗證者合約。每部分都對 zkEVM 的程序執行、證明生成和證明驗證有所貢獻。
1. 執行環境
顧名思義，執行環境是程序（智能合約）在 zkEVM 中運行的地方。zkEVM 的執行環境功能很像 EVM：採取初始狀態和當前交易來輸出一個新的（最終的）狀態。
2. 證明電路
證明電路產生零知識證明，驗證在執行環境中計算交易的有效性。證明生成過程是通過使用前狀態、交易輸入和後狀態信息來作為輸入完成的。之後，證明者獲得該特定狀態轉換的有效性簡潔證明。
3. 驗證者合約
zk-rollups 將有效性證明提交給部署在 L1 鏈（以太坊）上的智能合約以進行驗證。輸入（前狀態和交易信息）和輸出（最終狀態）也將會提交給驗證者合約。然後，驗證者對提供的證明進行計算，並確認提交的輸出是由輸入正確地計算出來的。
什麼是 zkEVM 操作碼？
zkEVM 操作碼是用於在 EVM 兼容的 zk-rollups 中執行程序的低級機器指令。與 EVM 一樣，用高級語言編寫的合約必須被編譯成虛擬機可以解釋的低級語言（字節碼），當在虛擬機中部署程序的時候，該字節碼指定了執行程序時所需使用的操作碼。
zkEVM 操作碼是非常有必要的，因為普通的 EVM 操作碼在零知識證明電路中的使用效率非常低。通常有兩種方法來創建 zkEVM 的操作碼：
- 為原生 EVM 操作碼建立零知識電路
- 為零知識證明計算創建新語言
為原生 EVM 操作碼建立零知識電路
這種方法需要在算術電路中實現所有的 EVM 指令集，是一項複雜而費時的任務。好處是開發者可以使用現有的區塊鏈開發者工具創建智能合約，或者將現有的以太坊合約移植到 zk-rollups，而無需對其進行大量修改。
為零知識證明計算創建新語言
這種方法需要為有效性證明開發一種新語言和自定義操作碼。開發人員直接用新語言編寫合約，或者將 Solidity 源代碼編譯為自定義的 zkEVM 操作代碼。
雖然這種方法通常比第一種方法更容易實現，但可能導致開發人員無法訪問現有的以太坊基礎設施和資源。
構建 zkEVM 的困難點在哪裡？
由於 EVM 在建造時並沒有考慮到零知識計算，所以它的一些特性對證明電路來說是不太友好的。以下四個方面是使構建 zkEVM 變得困難的主要原因：
- 特殊操作碼
- 基於堆棧的結構
- 存儲開銷
- 證明成本
1. 特殊操作碼
與普通的虛擬機有所不同，EVM 在程序執行（CALL、DELEGATECALL）和錯誤處理（REVERT、INVALID）等操作中使用了特殊的操作碼，它增加了 EVM 操作證明電路設計過程的複雜性。
2. 基於堆棧的架構
EVM 使用的基於堆棧的結構，雖然比基於寄存器的結構簡單，但增加了證明計算的難度。這就是為什麼那些著名的 zkVM，如 ZkSync 的 zkEVM 和 StarkWare 的 StarkNet 都使用基於寄存器的模型。
3. 存儲開銷
EVM 的存儲佈局依賴於 Keccak 函數和 Merkle Patricia Trie，這兩者的證明開銷都很高。一些 zkVM，如 ZkSync，試圖通過替換 Keccak 256 函數來避開這個問題，但這可能會破壞與現有以太坊工具和基礎設施的兼容性。
4. 證明成本
即使解決了上述問題，仍還需處理生成證明的過程。生成零知識證明需要專門的硬件，以及需要投資大量的時間、金錢和精力成本。
以上這些問題阻礙了建立與 EVM 兼容的 zkEVM。然而，零知識技術方面的一些突破，在一定程度上已經可以緩解這些問題帶來的影響，這使人們重新對 zkEVM 解決方案產生興趣。
為什麼 zkEVM 如此重要
建立功能齊全的 zkEVM 將鼓勵開發與 EVM 兼容的 zk-rollups 項目。這樣做有幾個優點：
- 安全的可擴展性
- 更便宜的成本
- 更快的最終確定性和資本效率
- 網絡效應
1. 安全的可擴展性
根據協議規則，所有驗證節點必須重新執行在 EVM 中進行的所有計算。這種方法確保了安全性，因為以太坊節點可以獨立驗證程序的正確性，但它限制了以太坊網絡的可擴展性，每秒只能管理 15-20 筆交易。
與 EVM 兼容的 zk-rollups 可以在解決以太坊吞吐量問題的同時，而不破壞網絡的安全性。和其它擴展協議一樣，zk-rollups 不受以太坊共識協議規則的影響，並且可以優化執行速度。一些估測資料顯示，zk-rollups 每秒可以處理約 2000 個交易，且不會產生高額費用。
除此以外，與其它擴展項目相比，zk-rollups 具有更高的安全保障—— 它們用有效性證明驗證鏈外計算的正確性。也就是說，智能合約在 L2 上執行的交易可以在 L1（以太坊）上得到可靠的驗證，但無需節點重新執行操作。這大大增加了以太坊的處理速度且不降低安全性。
2. 更便宜的成本
Rollups 通過將交易數據作為 CALLDATA 寫入以太坊，來承襲以太坊主網的安全性。不過 optimistic rollups 和 zk-rollups 需要在以太坊上發布的數據多少是有區別的。
由於 optimistic rollups 不提供鏈外交易的有效性證明，所以它們需要在鏈上發布所有與交易相關的數據（包括簽名和交易參數）。如果不把所有數據放在鏈上，挑戰者就無法構建用於爭議無效 rollups 交易的欺詐證明。
相反，即使只向以太坊發布最少的數據量，zk-rollups 也負擔得起。因為有效性證明已經保證了狀態轉換的可信性。zkEVM 甚至可以省略交易輸入，只發布最終的狀態變化，進一步減少對 CALLDATA 的需求。
這對開發者和用戶來說都是有益的，因為很大比例的 rollups 成本來自於在鏈上發布數據。通過將 CALLDATA 的調用減少到最低限度，zk-rollups 可以降低 dapps 的使用成本，比如去中心化的交易所、NFT 市場、預測市場等等。
3. 更快的最終確定性和資本效率
除了更好的安全性之外，zk-rollups 相較 optimistic rollups 還有一個優勢：更快的最終確定性。區塊鏈中的最終確定性是指交易變為不可逆所需的時間；只有當網絡參與者對交易的有效性有客觀證明時，交易才能最終完成最終確定性。
基於 zk-rollups，在 zkEVM 中執行的交易通常在發佈到以太坊上後立即被最終確定。歸功於每個交易批都帶有即時可驗證的有效性證明，以太坊主鏈可以快速應用狀態更新。
由於 optimistic rollups 只發布沒有證明的虛擬機交易，所以挑戰期必須在交易實現最終確定性之前結束。挑戰期長達 1-2 週，在此期間，任何人都可在交易提交給以太坊之後對其提出挑戰。
較慢的最終確定性對用戶體驗有很多影響。例如，在挑戰期結束之前，用戶不能從 rollups 中提取資產。或許流動性供應商願意解決這個問題，但如果提款涉及高額資產甚至 NFT，可能他們也無能為力了。
但 zkEVM 沒有上述這些問題。更快的最終確定性對於重量級用戶來說是非常好的，如 NFT 交易者、DeFi 投資者或需要無縫移動資產（特別是在 L1 和 L2 之間）的套利交易者。
4. 網絡效應
構建 EVM 兼容的 zkVM 的最重要原因是為了利用以太坊的網絡效應。以太坊作為世界上最大的智能合約平台，擁有一個為開發者和項目提供價值的龐大生態系統。例如，開發人員可以訪問經過審計和戰鬥測試的代碼庫、廣泛的工具、文檔等。如若創建一個與以太坊基礎設施不兼容的新 zkVM， 則會阻斷項目和開發團隊利用以太坊的網絡效應。
存在哪些類型的 zkEVM
目前的 zkEVM 項目主要分為兩類：支持原生 EVM 操作碼的 zkVM，和使用定制 EVM 操作碼的 zkVM。接下來我們將比較不同的 zkEVM 協議，並了解它們是如何工作的。
- Polygon zkEVM
Polygon Hermez 是一個具有 zkVM 的 Polygon zk-rollup，旨在支持 EVM 的兼容性。為此，EVM 字節碼被編譯成 “微操作碼（micro opcodes）” 並在 uVM 中執行，uVM 使用 SNARK 證明和 STARK 證明來驗證程序執行的正確性。
將這兩種證明類型結合起來是一個戰略性的決定。STARK 證明的生成速度更快，SNARK 由於證明更小，所以在以太坊上驗證會更便宜。
Polygon Hermez zkEVM 使用一個 STARK 證明電路來生成狀態轉換的有效性證明，用 SNARK 證明驗證 STARK 證明的正確性（可以認為是生成"證明的證明"），並將 SNARK 證明提交到以太坊進行驗證。
- zkSync zkEVM
zkSync 由 Matter Labs 開發，是一個由自己的 zkEVM 驅動的 EVM 兼容的 zk-rollups。ZkSync 通過以下策略實現了 EVM 兼容。
1. 將 Solidity 編寫的合約代碼編譯成 Yul。Yul 是一種可以被不同的虛擬機編譯成字節碼的中間語言。
2. 將 Yul 字節碼（使用 LLVM 框架）重新編譯為專為 zkSync zkEVM 設計的自定義、電路兼容的字節碼集。
與 Polygon Hermez 一樣，zkSync zkEVM 在語言層面實現了 EVM 的兼容性，而不是在字節碼層面。例如，zkSync zkEVM 不支持傳統的乘法和加法操作碼（ADDMOD、SMOD、MULMOD）。
- Scroll zkEVM
Scroll 是一個正在開發的新的 zkEVM 實現。Scroll 團隊計劃為每個 EVM 操作碼設計零知識電路。這將允許開發人員在 Scroll 上部署以太坊原生智能合約 EVM，而無需修改底層 EVM 字節碼。
在其它方面，Scroll zkEVM 將使用 “加密累積器（cryptographic accumulator）” 來驗證存儲的正確性。這被用來證明合約字節碼從給定的地址被正確地加載。
它還提供了一個電路，用於將字節碼與執行跟踪聯繫起來。執行跟踪是一個序列，它指定了哪些虛擬機指令以何種順序被執行。證明者將在證明生成過程中提交執行跟踪，以驗證計算是否與原始字節碼一致。
- AppliedZKP zkEVM
Applied ZKP 是一個由以太坊基金會資助的項目，旨在開發一個 EVM 兼容的 zk-rollup 和一個為以太坊區塊生成有效性證明的機制。後者是至關重要的，因為將區塊與有效性證明配對將消除節點重新執行區塊的需要。
Applied ZKP 的創新是將計算與存儲分離。它使用兩種類型的有效性證明—— 狀態證明和 EVM 證明。
- 狀態證明
檢查觸及存儲、內存和堆棧的操作是否正確地發生。狀態證明本質上是驗證讀寫操作的準確性。
- EVM 證明
檢查計算是否在正確的時間調用了正確的操作碼。EVM 證明驗證了計算本身，也確認了狀態證明對每個操作碼執行了正確的操作。
AppliedZKP zkEVM 使用一個總線映射來連接狀態證明和 EVM 證明。而且，在以太坊區塊被視為有效之前，這兩個證明都必須得到驗證。
zkEVM 的開發行至何處了？
除了 zkSync，大多數 zkEVM 仍在開發完善中。儘管如此，零知識技術的不斷發展意味著全功能的 zkEVM 的前景比以往任何時候都要好。
同時，開發者可以利用 StarkNet zkVM 來發揮零知識應用的優勢。StarkNet 雖然與 EVM 不兼容，但可以將 Solidity 源代碼編譯成自定義的零知識友好的字節碼。你也可以選擇用 Cairo（StarkNet 的語言）編寫合約。
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