TYPE:zkSync2.0主網上線之際淺析各類zkEVM

以太坊的發展路線越來越傾向于Modular Blockchain，其本質就是Layer1的data sharding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，ZK Rollup被認為是以太坊擴容的最終目標。

ZK Rollup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，ZK Rollup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，ZK rollup可以實現以太坊擴容。

ZK Rollup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zk rollup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（Sequencer，早期多數項目是中心化的，也有項目開始采用去中心化方式）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（zksnark/zkstark）和聚合狀態更新；

Aave社區發起“將V3部署至zkSync Era主網”的溫度檢查投票:4月13日消息，Snapshot投票頁面顯示，Aave社區發起“將Aave V3部署至zkSync Era主網”的溫度檢查投票，該提案目前支持率為97.3%，投票將于4月15日截止。

此溫度檢查投票為Aave治理提供了在zkSync Era主網上部署Aave V3的機會，并有限部署了初始資產：USDC和ETH。若此次投票通過，則進入ARFC階段進行進一步討論、風險參數評估網絡分析和最終確定提案。如果ARFC階段快照成功，則將該提案作為AIP提交以進行投票和鏈上治理批準。[2023/4/13 14:01:33]

這個狀態更新和證明被提交到L1的zk rollup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（取決于不同的數據可用性機制）來檢索他們的資產，從而實現完全的自我托管，所以zk rollup也被認為繼承了以太坊安全。

眾所周知，第一代的ZK Rollups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NFT Minting&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ZK Rollups開始探索，在ZK Rollup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ZK Rollup上，而無需從頭開始編寫代碼。

zkSync發布生態進展更新：Celer Network已與zkSync 2.0測試網集成:11月21日消息，zkSync 發布生態系統的五個最新進展，包括跨鏈基礎設施 Celer Network 已經與 zkSync 2.0 測試網集成，確認在 zkSync 的公平啟動 Alpha 里程碑中增加了資產橋接和消息傳遞。MUX Protocol 的多鏈原生 DeFi 協議現已在 zkSync 2.0 測試網上運行。Pocket Network 確認其激勵節點運行器網絡即將進入 zkSync 生態系統。depocket.com 宣布其用戶可以在其 DeFi 儀表板產品上跟蹤 zkSync 的質押余額。BlockWallet 詳細介紹了他們在零妥協 Web3 錢包中對 zkSync 2.0 測試網的支持的持續改進。[2022/11/22 7:53:49]

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，ZK Rollups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ZK Rollup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、Polygon Hermez2.0、Scroll等頭部的通用ZK Rollup項目都已經先后推出了zkEVM測試網，StarkNet則已經進入到了Alpha Mainnet階段。

去中心化隱私服務協議Automata Network宣布為zkSync提供集成服務:3月01日消息，去中心化隱私服務協議 Automata Network 宣布為 zkSync 提供集成服務，將為 zkSync 以及在 zkSync 上構建的 dApps 提供中間件堆棧 Witness 和 Conveyor，實現在不犧牲擴展性的前提下，提高 zkSync 的隱私性。[2022/3/1 13:29:47]

當前的ZK Rollups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ZK Rollup項目也一直在解決與以太坊的兼容性問題。

Vitalik根據與現有EVM基礎設施的兼容性程度，將zkEVM通用ZK Rollup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（包括所有交易執行、智能合約和賬戶邏輯，不包括信標鏈共識邏輯）。

推特大V發起最佳Layer2項目投票，zkSync獲超半數選票:11月15日消息，推特賬號“antiprosynthesis.eth ”發起了一個投票，內容為Ethereum的Layer2方案中，你會推薦哪一個作為規范的解決方案。目前，zkSync得票51.3%。Arbitrrum得票20.3%。OptimismPBC得票9.2%。StarkWareLtd得票19.2%。這意味著，還沒有主網上線，采用了零知識證明技術的zkSync最具有“民心”。[2021/11/15 21:51:02]

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（例如：Ethereum Execution Clients、Block Explorers、Block Production等）；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（在生成證明方面，需要較長時間）。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-SNARK ASIC來實現硬件加速。

目前，主要有兩個團隊在嘗試探索Type-1 ZK-EVM，一個是Privacy and Scaling Explorations team，一個是Taiko。

ZKSwap平臺TVL已超10億美金:據官方消息，ZKSwap流動性挖礦活動于4月10日18時加碼600萬個ZKS獎勵，價值2000余萬美金。此次活動重點加碼WBTC、BBTC、ETH相關交易對流動性挖礦獎勵，并創新性地開放Layer2單幣挖礦活動，用戶僅需將對應幣種充值到ZKSwap Layer2即視為成功參與單幣挖礦活動。

數據顯示，截至2021年4月11日10時，平臺24小時內新增資產超過5億美金，TVL突破10億美金。更多信息見官網。[2021/4/11 20:07:03]

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zkEVM Rollup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-2 zkEVM的證明時間比Type-1 zkEVM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（比如：預編譯），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Polygon Hermez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（Solidity、Vyper）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EVM bytecode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。

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ZK Rollup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ZK Rollup，也可以用于驗證以太坊鏈本身（未來以太坊會對ZK-SNARK更加友好）。

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Ethereum L1。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Modular Blockchain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ZK Rollup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ZK Rollup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ZK Rollup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ZK Rollup采用的較低成本的數據可用性模式。

總而言之，每種ZK Rollup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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