區塊鏈:科普 | 一文探究zkEVM：以太坊擴容方案的關鍵

在以太坊Layer2擴展網絡Arbitrum和Optimism網絡都宣布其主網的公開測試版正式啟動后，Layer2的整體數據增長都極其明顯，這也標志著以太坊Layer2擴展解決方案之一OptimisticRollup已經正式啟動。沒錯，這是一個屬于Layer2的季節。

當像Arbitrum和Optimism這樣的OptimisticRollup成為市場焦點時，另一個Layer2網絡zkEVM也取得了一些關鍵性的進展。現如今，我們看到越來越多地zkEVM已成為擴展以太坊的關鍵。本文就將會帶你深入了解zkEVM的基本原理和發展現狀。

作者：DeGateTeam

來源：Medium

編譯：陳一晚風

概要

1、zkSync宣布推遲8月31日發布其2.0版本。基于zkEVM的zkSync2.0有望成為第一個兼容EVM的zkRollup；

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2、8月13日，Polygon宣布以2.5億美元收購以太坊Layer2擴展解決方案Hermez，其核心技術是其zkEVM解決方案；

3、以太坊基金會在一份關于研發進展的定期更新聲明中表示，在過去幾個月中以太坊基金會資助籌建zkEVM團隊，希望能將EVM的所有操作碼直接通過ZK電路實現。

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正如我們所知，在比較OptimisticRollup和ZKRollup的兩種擴容解決方案時，V神認為OptimisticRollups可能會在短期內贏得通用EVM計算。但從長遠來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKrollup才可以在所有的應用場景中“獲勝”。而所謂“ZK-SNARK技術的改進”主要是指zkEVM的成功。

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zkEVM的作用

在開始探究zkEVM的作用前，讓我們先來重新認識一下以太坊。從本質上來說，以太坊就是一個基于交易的狀態機。在計算機科學中，狀態機是通過讀取一系列輸入，從舊狀態轉換到新狀態的機器。

從創世狀態開始，以太坊通過一個又一個的交易轉換到以太坊的當前狀態。該狀態包含所有帳戶地址及其映射的帳戶狀態。

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其中，EVM或以太坊虛擬機負責處理交易。EVM作為堆棧機運行，程序員在其中使用Solidity等高級語言編寫代碼，然后將其編譯為EVM能夠理解的EVM字節碼。EVM以各種EVM操作碼的形式執行標準堆棧操作，最終產生一個新的狀態。

現在問題來了。我們知道zkRollup解決方案需要為Layer2上的交易生成零知識證明，并將它們傳遞回Layer1進行驗證。為了生成零知識證明，交易的處理需要符合zk電路證明規范。而在EVM設計之初，設計者并沒有考慮支持零知識證明。因此我們需要zkEVM。從技術上講，zkEVM的含義是：運行在zkRollup網絡上的虛擬機，兼容EVM并且零知識證明友好。

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兩種實施策略

對于zkEVM來說，目前主要有兩種實現策略。

1、直接支持現有的EVM操作碼集，與Solidity操作碼集完全兼容。使用此解決方案的人包括Hermez和以太坊基金會zkEVM。

2、通過設計一個零知識證明友好的新虛擬機并適應EVM開發工具來保持Solidity兼容性。該方案主要被zkSync使用。

對于第一種策略，由于它完全支持現有的EVM操作碼集，并且使用與EVM相同的編譯器，現有的生態系統和開發工具完全兼容，也更好地繼承了以太坊的安全模型。而第二種策略，它不受原始EVM操作碼集的約束，因此可以更靈活地將代碼編譯為對零知識證明更友好的操作碼集。它還免去了與所有原始EVM操作碼集兼容所需的繁重工作。

總的來說，第一種策略更兼容、更安全，但工作量更大；第二種策略更靈活、工作量更少，但需要額外的努力來適應。

主要解決方案對比

HermezzkEVM

Hermez使用第一種策略，將整個EVM操作碼集轉換為微操作碼。

眾所周知，有一些可變的EVM操作碼，例如CALL、EXP、CREATE等，它們對zk電路證明本質上是不友好的，而這些操作碼的邏輯可以使用微操作碼以一種更友好的方式來表達。微操作碼在uVM中執行，uVM使用大量加密工具實現zk完成，并使用Plookup算法提高證明和驗證效率。

HermezzkEVM的另一個亮點是它同時使用了兩個證明系統，專門生成一個STARK證明，然后使用PLONK或Groth16生成一個STARK證明的證明并在Layer1上進行驗證，就像一個證明的證據。原因是STARK的證明量大，驗證鏈上的成本高，而Groth16或PLONK的證明量小，驗證速度快。兩者的這種組合各有優勢，很容易被認為是一種組合使用非對稱和對稱加密算法的場景。

AppliedZKPzkEVM

與Hermez一樣，AppliedZKPzkEVM也使用第一種策略。AppliedZKP使用BusMapping映射思想來分離存儲和計算。基于BusMapping映射提取的正確存儲數據，State證明證明了數據的一致性，EVM證明證明了計算邏輯的正確性。

具體流程如下：

1.EVM通過BusMapping映射讀取所需的相關狀態。狀態由存儲、內存和堆棧組成；

2.EVM執行操作碼；

3.EVM通過BusMapping映射寫回新狀態；

4.State證明負責BusMapping讀寫數據的一致性和正確性，EVM證明負責EVM操作碼執行的正確性。

zkSyncEVM

與Hermez和AppliedZKP不同，zkSync選擇了第二種策略。zkSync的zkEVM不是EVM的復制品，而是新設計的，可以運行99%的Solidity合約，并確保它在各種條件下正常工作。同時，zkEVM可用于在電路中高效生成零知識證明。

zkSyncEVM使用TinyRAM來實現通用的操作碼集，而消耗大量gas的操作碼，例如SHA256和keccak，將特別實現其電路，最后使用遞歸聚合技術將所有證明聚合為一個以提高效率。

zkSync還為zkEVM開發了兩個編譯器前端：Yul和Zinc。Yul是一種微型Solidity表示，可以為不同的后端編譯成字節碼；Zinc是一種基于Rust的語言，用于智能合約和通用零知識證明電路。這為開發人員提供了更多選擇。

另外，zkSync在構建編譯器時，選擇了LLVM這個生產工業級產品最先進的編譯器框架，以確保編譯器足夠完整，并具有所有經典優化。

總結

從上述這些擴容項目中，我們看到在團隊的不斷努力下，zkEVM技術正在走向成熟，并將在大約六個月內實現與EVM兼容的zkRollup擴展解決方案。

如今，區塊鏈技術正在進入一個前所未有的充滿爭議的時代。從公鏈之爭到以太坊擴容方案之戰，甚至到一個具體擴展解決方案，不同的項目都在相互競爭、追趕和超越，這其中蘊含著對現實世界的巨大游戲，很幸運，我們處于區塊鏈技術技術最具活力的時代。

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