以太坊:以太坊創始人（V神）：不同類型的 ZK-EVM

最近，很多“ZK-EVM”項目很快相繼發出公告。Polygon開源了他們的ZK-EVM的項目，ZKSync發布了ZKSync2.0的計劃，而Scroll作為相對的新秀，最近也宣布了他們的ZK-EVM項目。還有PrivacyandScalingExplorations團隊、NicolasLiochonetal的團隊，以及Nethermind團隊致力于將EVM的Solidity語言轉譯為StarkWare的ZK友好語言Cairo的一個Alpha編譯器，這些團隊都在為此不斷努力，當然，還有一些項目我沒有例舉出來。

這些項目的核心目標是一致的：利用ZK-SNARK技術對以太坊類交易的執行生成加密證明，不是讓證明更易于驗證以太坊鏈本身，就是構建相當于以太坊所提供的一些功能，但比它更具有可擴展性的ZK-rollups。但這些項目之間也有些細微區別，并且他們在實用性和速度之間所做的權衡也有差異。這篇文章將描述不同EVM等效“類型”的分類學，以及每種類型的優勢和開銷。

類型1：完全以太坊等效的ZK-EVM

第一類ZK-EVM力圖成為完全不妥協的以太坊等效ZK-EVM。他們不會更改以太坊系統的任何部分來讓它更容易生成證明：不會替換哈希、狀態樹、交易樹、預編譯或是共識中的其他邏輯，不管這些部分多么次要。

優勢：完美的兼容性

ZK-EVM的目標在于，能夠像目前以太坊驗證區塊那樣——或者至少，驗證執行層上面的區塊。

第一類的ZK-EVM正是我們最終所需要的，能讓以太坊L1本身更具有可擴展性。長期來看，在第二類和第三類的ZK-EVM中試驗得出的對以太坊的修改，可能會被合理引入至以太坊上，但是這種重新架構本身具有復雜性。

以太坊L2網絡總鎖倉量為53.8億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至5月13日，以太坊Layer2上總鎖倉量為53.8億美元。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum，約30.2億美元，占比56.18%。其次是dYdX，鎖倉量9.97億美元，占比18.83%。Optimism占據第三，鎖倉量5.34億美元，占比9.93%。[2022/5/13 3:12:30]

第一類ZK-EVM對Rollup來說也是理想的，因為它們讓Rollup可以重復利用基礎設施。比如，以太坊執行層客戶端可以像原來那樣生成和處理Rollup的區塊，所以區塊瀏覽器、區塊生成等工具可以輕松重新使用。

劣勢：證明生成時間慢

以太坊原本的設計并不是ZK友好的，因此，以太坊協議中的許多部分都需要花費大量的計算來生成ZK證明。第一類ZK-EVM旨在完全復制以太坊的環境，因此，它無法緩解這些計算低效性問題。目前，以太坊區塊證明需要花費多個小時才能生成。這可以通過巧妙的工程，或從長遠來看，通過ZK-SNARKASIC來緩解低效性問題。

誰在構建第一類ZK-EVM？

PrivacyandScalingExplorations團隊正在努力構建第一類ZK-EVM。

類型2：完全EVM等效的ZK-EVM

第二類ZK-EVM力爭成為完全EVM等效但也不那么以太坊等效的ZK-EVM。也就是說，“從內部來看”，他們完全就像以太坊一樣，但是在外部與以太坊有一些區別，尤其是區塊結構和狀態樹等數據結構。

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它的目標在于，與現有的應用完全兼容，但它會對以太坊做一些較小的修改，讓開發更容易，也讓證明生成得更快。

優勢：在虛擬機層面完全等效

第二類ZK-EVM會改變存儲著如以太坊狀態的數據結構。幸運的是，因為EVM本身就不能直接訪問這些數據結構，所以對原本在以太坊上運行的應用程序沒什么影響，它們仍能在第二類的ZK-EVMrollup上運行。你可能無法像原來那樣使用以太坊執行層客戶端，但你可以通過一些修改來使用客戶端，并且依舊能使用EVM調試工具和大部分其他開發者基礎設施。

還存在少數例外情況。當驗證以太坊歷史區塊的默克爾樹證明來驗證歷史交易、收據或狀態的聲明時，應用程序出現了不兼容。如果ZK-EVM用不同的哈希函數來替換Keccak，那就會損壞這些證明。而且，我經常建議不要這樣構建應用程序，因為未來的以太坊更新甚至會影響以太坊上的應用。更好的選擇是以太坊自己添加不會過時的(future-proof)歷史訪問預編譯。

劣勢：已經改進過了但還是證明時間太慢

第二類ZK-EVM能比第一類提供更快的證明生成時間，它主要通過移除部分以太坊堆棧，這部分堆棧依賴于具有不必要復雜性和ZK不友好的加密學。特別是，這些堆棧可能會更改以太坊的Keccak和基于RPL的Merklepatriciatree，也許還會更改區塊和收據結構。第二類ZK-EVM則是會使用不同的哈希函數，如Poseidon。自然而然地，它會修改狀態樹以儲存哈希碼和Keccak，不需要驗證哈希以處理EXTCODEHASH和EXTCODECOPY操作碼。

以太坊未確認交易為169,921筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易169,921筆，當前全網算力為505.90TH/s，全網難度為6.72P，當前持幣地址為58,100,548個，同比增加264,216個，24h鏈上交易量為2,436,088.76ETH，當前平均出塊時間為12s。[2021/4/17 20:31:26]

這些修改極大地改善了證明生成的時間，但它們沒有解決所有問題。這類ZK-EVM繼承了EVM本身帶來的低效性和ZK不友好問題，所以像原本那樣基于EVM生成證明的低效情況依然存在。內存就是最簡單的例子：因為MLOAD可以讀取任何32字節，包括“無序的”代碼段，MLOAD也不能單純理解為對一段代碼的讀取；確切地說，它可能需要讀取兩個連續的代碼段和執行位操作來結合運行結果。

誰在構建第二類ZK-EVM？

Scroll的ZK-EVM項目正在構建第二類ZK-EVM，PolygonHermez也是。即使如此，還沒有項目真的成為第二類ZK-EVM；尤其是很多更加復雜的預編譯還沒實現。所以，目前來說，這兩個項目應該說屬于第三類ZK-EVM。

類型2.5：EVM等效，除了gas開銷

在最糟糕的情況下，有一種能夠極大地改善證明生成時間慢的方式是，大大提高那些難以在EVM中生成ZK證明的執行所花的gas開銷。這些執行可能涉及預編譯、KECCAK操作碼，還可能涉及調用合約的特定模式、訪問內存/存儲或是回滾。

更改gas開銷可能會降低開發者工具的兼容性，損壞一些應用，但總體上，它的風險比“更深入地”變更EVM來說更少。開發者需要注意，不要消耗超出一個區塊所容納的gas上限，也永遠都不要用硬編碼gas數來進行調用。

以太坊2.0客戶端Prysm推出v1.1.0版本:1月19日，以太坊2.0客戶端執行團隊Prysmatic Labs宣布，已正式推出Prysm v1.1.0版本。該版本為v1版本以來的第一個次要版本，其包含的重大更改內容有：實現驗證程序削減保護數據庫新架構；回滾至v1.0.5版本操作（必須運行驗證程序數據庫反向遷移，否則將缺少近期認證記錄）；以及該版本對此前版本一些已知問題進行了修復。[2021/1/19 16:29:21]

另一種管理資源限制的方式是，只要對每個操作能被調用的次數設定硬限制就好了。這在電路中的實現很簡單，但是對EVM的安全假設就不太好了。我更愿意將這種方法稱作第三類ZK-EVM，而不是類型2.5。

類型3：幾乎是EVM等效的

第三類ZK-EVM幾乎是EVM等效的，但需要對完全等效性做一些犧牲，以進一步改善證明生成時間，并促進EVM更易于開發。

優勢：易于構建，證明生成時間更快

第三類ZK-EVM也許會取消一些格外難以在ZK-EVM實現中實現的功能。預編譯通常會是這類功能中最難實現的；此外，這類ZK-EVM有時也在處理合約代碼、內存和堆棧方面有些許不同。

劣勢：兼容性更差

第三類ZK-EVM的目標是與大部分應用程序兼容，它只需要對剩下的應用進行極少的改寫。即使是這樣，也需要對一些應用進行改寫，因為這些應用會使用第三類ZK-EVM已經取消的預編譯，或是因為它們對邊緣情況有著微妙依賴性，而VM會以不同的方式處理。

誰來構建第三類ZK-EVM？

Bitfly：目前以太坊節點多于比特幣節點:Ethermine礦池母公司Bitfly官方剛剛發推表示，目前以太坊節點多于比特幣節點。以太坊節點為11137個，比特幣為10981個。[2020/11/30 22:31:59]

Scroll和Polygon現在的形式都屬于第三類ZK-EVM，盡管他們預計會隨著時間改善兼容性。Polygon的設計很獨特，他們用著自己的內部語言zkASM驗證ZK，并且他們會使用zkASM的實現來轉譯ZK-EVM代碼。雖然其實現細節是這樣的，但我還是愿意把它稱為真正的第三類ZK-EVM。它依舊能夠驗證EVM代碼，只是用著一些不同的內部邏輯罷了。

現在，還沒有ZK-EVM團隊想要成為第三類ZK-EVM；該類型僅僅是完成預編譯添加這一復雜工作和項目能夠轉為類型2.5之前的過渡階段。然而，通過添加新的ZK-SNARK友好的預編譯，為開發者提供證明生成時間短、gas開銷低的功能，第一類和第二類ZK-EVM在未來可能會自發成為第三類ZK-EVM。

類型4：高級語言等效

第四類ZK-EVM系統的工作原理是，采用高級語言編寫智能合約源碼），并將這些源碼編譯為一些明確設計成ZK-SNARK友好的其他語言。

優勢：極快的證明生成時間

不將EVM的每個執行步驟的所有環節生成ZK證明，而是直接開始證明高級語言編寫的代碼，這樣你可以避免掉很多開銷。

在本文，雖然我只用了一句話來描述這種優勢，但這句話不應該被解讀為價值判斷！從高級語言直接編譯真的可以極大地減少開銷，并通過讓證明過程變得容易而推動去中心化。

劣勢：兼容性更差

一個用Vyper或Solidity編寫的“正常”應用程序能夠被編譯出來，并且它“可以運行”，但在很多重要情況下，很多應用會變得不“正常”：

第四類ZK-EVM的系統中的合約地址與EVM中的可能不一樣，因為CREATE2合約地址取決于具體的字節碼。這破壞了依賴于尚未部署的“反事實合約”的應用、ERC-4337錢包、EIP-2470單例和許多其他應用程序。

手動編寫的EVM字節碼更難投入使用。很多應用程序為了效率，會使用手動編寫部分EVM字節碼。盡管有很多種方式可以實現對這類有限制的EVM字節碼的支持，可以在無需完全成為第三類ZK-EVM的情況下將這些用例應用起來，但第四類ZK-EVM的系統可能不會支持這種手動編寫的字節碼。

很多調試基礎設施無法繼續生存，因為這種基礎設施都基于EVM字節碼運行。盡管如此，但我們可以通過“傳統”高級語言或中間語言更輕松地訪問調試基礎設施，以減輕這種劣勢。

開發者應該留心這些問題。

誰在構建第四類ZK-EVM？

ZKSync系統就是第四類ZK-EVM，雖然它可能會隨著時間提高EVM字節碼的兼容性。Nethermind的Warp項目正在構建從Solidity語言轉譯為StarkWareCairo語言的編譯器，這個編譯器將會把StarkNet變成真正的第四類ZK-EVM系統。

各個ZK-EVM類型的未來

并不是說這些類型比其它類型“更好”或“更差”。相反，相較之下他們各有不同：從類型1至類型4，編號較低的ZK-EVM類型和現有的基礎設施更加兼容，但運行得更慢；而編號較高的ZK-EVM類型則和現有的基礎設施不那么兼容，但運行得更快。總之，對所有ZK-EVM類型的探索有益于該領域的健康發展。

另外，ZK-EVM項目可以隨著時間的推移，輕松地從編號高的ZK-EVM開始，然后轉為編號低的類型。例如：

ZK-EVM可以在一開始作為第三類ZK-EVM投入使用，不去加入一些特別難以生成ZK證明的功能。之后，他們可以隨著時間的推移而加入那些功能，繼而轉變為第二類。

一開始作為第二類別的ZK-EVM，通過在完全兼容以太坊的模式下運行，或使用在修改后能更快生成證明的狀態樹，這類ZK-EVM可以在之后變成第二類和第一類ZK-EVM的混合類型。Scroll就正在考慮向這個方向發展。

一些一開始屬于第四類系統的ZK-EVM項目，可以通過之后添加EVM代碼處理的功能，繼而隨著時間變成第三類ZK-EVM。

如果以太坊自身為了變得更加ZK友好而采用一些修改，那么第二類和第三類可以成為第一類ZK-EVM。

第一類或第二類ZK-EVM可以通過增加驗證ZK-SNARK友好語言代碼的預編譯，變成第三類ZK-EVM。這為開發者在以太坊兼容性和運行速度之間提供了一個選擇。這可以算是第三類ZK-EVM，因為它會破壞完美的EVM等效，但出于實際意圖和目的，它可能還會具有很多第一類和第二類ZK-EVM的優勢。它不好的地方可能是，一些開發者工具無法理解ZK-EVM的自編譯，雖然這點也可以修復：開發者工具可以通過支持包括EVM代碼等效的預編譯實現在內的配置格式，以此增加通用的預編譯支持。

就個人而言，通過結合ZK-EVM中的改進與讓以太坊變得更加ZK-SNARK友好的改進，我希望這些項目全部慢慢變成第一類ZK-EVM。在這樣的未來里，我們也會有多種ZK-EVM實現，可以用于ZKrollup，也能用來驗證以太坊鏈本身。理論上，以太坊沒有必要標準化單個ZK-EVM的實現來供L1使用；不同客戶端可以使用不同的證明，我們才能繼續從代碼冗余中獲益。

不論如何，我們還需要一些時間來迎接這種未來。同時，我們也會在擴容以太坊和開發基于以太坊ZKrollup的不同賽道上看到大量創新。

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