zkSync2.0主網上线之際淺析各類zkEVM

以太坊的發展路线越來越傾向於Modular Blockchain，其本質就是Layer1的data sharding和Layer2的Rollups擴容相結合，成爲一種模塊化架構，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被認爲是以太坊擴容的最終目標。

ZK Rollup

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，並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可以理解爲通過zksnark或zkstark來使用亞线性處理以驗證线性數量的語句。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：

1. 用戶將他們的資產鎖定在L1上的zk rollup智能合約中；

2. 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，也有項目开始採用去中心化方式）將這些交易通過某些規則收集成有序批次，並爲每個批次生成有效性證明（zksnark/zkstark）和聚合狀態更新；

3. 這個狀態更新和證明被提交到L1的zk rollup智能合約並被驗證，就會更新在L1的區塊鏈上；

4. 用戶可以使用這種L1狀態（取決於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也被認爲繼承了以太坊安全。

zkEVM的必要性

衆所周知，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。

後來，頭部的那些ZK Rollups开始探索，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，而無需從頭开始編寫代碼。

EVM是第一個圖靈完備的區塊鏈虛擬機，於2015年發布。它是迄今爲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兼容與否作爲一個評判維度，因爲EVM兼容的背後代表的不僅僅是智能合約執行環境，也代表着可用的以太坊生態和工具集，更代表着不可忽視的網絡效應。所以，ZK Rollups也沒敢忽略這一塊兒。

zkEVM則可以理解爲將EVM作爲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項目都已經先後推出了zkEVM測試網，StarkNet則已經進入到了Alpha Mainnet階段。

zkEVM的兼容性分類

當前的ZK Rollups的zkEVM與Ethereum本身並非完全兼容，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分爲4類：

Type-1：完全等效於以太坊

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完全等效於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、智能合約和账戶邏輯，不包括信標鏈共識邏輯）。

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，因爲在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。以太坊最初並非圍繞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，目前行業裏提出的解決方案主要是：通過巧妙的工程大規模並行化證明，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。

Type-2:完全等效於EVM

Type-2型zkEVM力求完全等效於EVM，但不完全等效於以太坊。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，以使开發更容易並更快地生成證明。

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。由於這些是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，並且還可以使用EVM調試工具和大多數其他开發工具。

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，但並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:幾乎等效於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更易於开發。

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、並使EVM更易於开發。

在兼容性方面有所犧牲，由於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都屬於Type-3。當然，從長遠來看，還沒有哪個zkEVM團隊公开表明愿意長期停留在Type-3。Scroll和Polygon Hermez都在朝着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類實際上屬於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，並將其編譯爲明確設計爲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，因爲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开始，從而降低成本並獲得更快驗證時間。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，因爲這些基礎設施是運行在EVM字節碼上。

總而言之，Type-4屬於語言級別等效，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屬於Type-4類，盡管隨着時間的推移它可能會增加對EVM字節碼的兼容性；基於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。

各類zkEVM的比較

這些zkEVM並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等都屬於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是希望隨着時間的推移，通過zkEVM的改進和以太坊本身的改進相結合，最終所有zkEVM都成爲Type-1類。這樣的好處在於，未來會有多個zkEVM，既可以用於ZK Rollup，也可以用於驗證以太坊鏈本身（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：

1. 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，而是選擇採用zkVM，也許反而方便未來對接到其他的L1共識層；

2. 現在ZK Rollup的性能頂板是受限於證明生成速度，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並不是开發者考量基於哪個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，但由於多數通用ZK Rollup項目還處於測試網階段，尚無法做對比；

• 生成證明的規則：支持哪些人作爲Prover，甚至採用哪種硬件來加速生成證明；

• L2交易排序的規則：採用單個Sequencer還是採用去中心化的方式；

• 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採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，實際並沒有絕對的優劣之分。

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