zkEVM 性能哪家強？以太坊 L2 合約部署實測

作者：Jarrod Watts；編譯：區塊律動BlockBeats

以太坊擴容战爭中，Optimistic rollups 因其 EVM 高度兼容甚至完全等效，導致該賽道的 Arbitrum 和 Optimism 在开發者採用上佔據先天優勢，其 L1 到 L2 無縫移植代碼和豐富的开發工具可快速吸引开發者進駐並在平台上部署和創建應用。

與之對比，ZK 系則更難一些。其技術上固有的特性導致 ZK rollups 需要定制自己的虛擬機，這意味着項目方需要做更多的工作來「解釋」來自 EVM 的代碼甚至是從頭开發編寫全新代碼。不過，目前包括 Taiko、Polygon、Linea、Scroll 和 ZkSync Era 的多個 ZK rollups 賽道項目均推出了自己的 zkEVM 實現。

作爲擴容聖杯，zkEVM 對开發者的合約部署體驗有至關重要的影響，面對面對琳琅滿目的 ZK rollups 項目，开發者到底該如何選擇？

本文編譯了來自 Jarrod Watts 發布的推文總結，他是 Polygon 的开發者關系工程師，通過在當前熱門的 ZK rollups 項目上部署智能合約（1 個 Solidity 智能合約和一個 NFT 合約），對 Taiko、Polygon、Linea、Scroll 和 ZkSync Era 等項目的 zkEVM 性能進行了實測，比較了其各自的優缺點和 L2 到 L1 到账時間，爲想要嘗試部署二層合約的开發者提供實測指南。

以下爲來自 BlockBeats 的原文編譯：

ZK-EVM 是什么以及我們爲何需要它？在解讀 ZK-EVM 是什么之前，先看看爲何需要 ZK-EVM？

ZK Rollups 爲以太坊帶來擴展性和高性能，硬幣的另一面是，ZK Rollups 解決方案與 EVM（以太坊虛擬機）不兼容，這意味着 ZK Rollups 方案僅能支持執行有限的操作，包括轉账、鑄幣或銷毀，並且還得爲用戶开發錢包等工具。

因此，我們需要與 EVM 兼容的 ZK Rollups，爲此，多家公司都开發了自己的 ZK-EVM。

ZK-EVM，即零知識 EVM，它是一種與零知識證明兼容的以太坊虛擬機實現。

ZK-EVM 主要功能是對以太坊 L2（第 2 層）上交易進行批量處理，並將該批量交易的「有效性證明」發回至以太坊 L1 上。通常，zkEVM 可以做以太坊主網的一切。它將 Solidity 或 Vyper 中人類可讀的代碼編譯成字節碼，執行智能合約，並更新區塊鏈狀態。

構建 EVM 兼容的 ZK Rollups 的難點在於，以太坊一开始的設計並沒有考慮到 ZK 友好性。這意味着零知識證明需要大量的資源進行計算。

其中，某些 EVM 操作碼 opcodes 尤爲「ZK 不友好」，這導致各家公司最終設計出的 ZK-EVM 產品在 EVM 兼容性上各不相同。

opcodes 、字節碼和 EVM 分別是什么？

科普時間到，操作碼（opcodes）、字節碼和 EVM 分別是什么？

首先，EVM 是以太坊上智能合約的運行環境。以太坊將所謂的「機器狀態」以一種 trie 樹形數據結構進行存儲，每執行完一個區塊中的交易後，該結構發生變化。

EVM 是有確定性的，這意味着在任何特定狀態上執行一組指令都會產生相同的新狀態。

根據以太坊开發者文檔，一個舊的有效狀態（S）+ 一組新的有效交易（T），以太坊將產生一個新的有效輸出狀態 S'

你可以將其看作是國際象棋這樣的遊戲。以太坊就像是一個棋盤，其中存在不同的遊戲狀態，在以太坊中，這種狀態的可能性則是無限的。棋盤遊戲都有自己特定的移動規則（對比以太坊上的交易），並且對哪類棋子執行哪些操作也有特定的限制。遊戲玩家採取行動（對比的是用戶在以太坊上提交交易），遊戲（以太坊）制定和執行規則，從而在每個回合（對應區塊時間）後產生一個新的棋盤（以太坊全局）狀態。

進行以太坊或任何 EVM 兼容的區塊鏈开發，需要使用 Solidity 編寫智能合約。Solidity 是一種高級語言，其目的是人類可讀，這樣开發者就可以專注於編寫代碼，而非寄存器、內存地址、調用堆棧等抽象層面的東西。

然而，EVM 卻無法讀取 Solidity。相反，它只能理解「字節碼」（bytecode），這是一種二進制、機器可讀的低級代碼。

在 EVM 中，「字節碼」（bytecode）代表的是一系列 EVM「操作碼」（opcodes），操作碼是程序的低級可讀指令，代表的是可在 EVM 中執行的特定操作。

由於 Solidity 這樣的高級語言無法在 EVM 中被直接執行，因此，我們需要一種方法將智能合約代碼從人類可讀的 Solidity 語言 操作碼 字節碼，然後由 EVM 執行，這就是編譯器的工作。

當使用 Remix IDE 編譯器對 Solidity 代碼編譯後，可看到該智能合約轉換成的特定的操作碼，並查看從該操作碼生成的字節碼。

以下是操作碼：

以下是上面操作碼對應的字節碼。

通過將字節碼轉譯成操作碼，從而可獲知字節碼中包含哪些執行指令。

由於對 EVM 中一些特定操作碼進行 ZK 證明的難度較高，導致市面上出現了不同兼容程度的 ZK-EVM，其中，有些 ZK-EVM 和 EVM 操作碼集完全等效，有些對一些 EVM 操作碼進行了部分修改，還有一種則具有完全不同的字節碼。

不同類型的 ZK-EVM

由於一开始以太坊設計並沒有考慮到 ZK 友好性，因此理論上，越接近以太坊設計，生成 ZK 證明就越困難且耗時。2022 年 8 月，以太坊創始人 Vitalik 曾發表博文「聽 Vitalik 解讀不同類型 ZK-EVM 的未來」，對不同 ZK-EVM 進行了分類。

在該文中，Vitalik 基於 EVM 兼容性和 ZK 證明生成時間（性能）兩個維度對各類 ZK-EVM 進行了分類，Vitalik 在該圖表中羅列了 四 種（半）類型，目前市面上所有 ZK-EVM 產品都可被囊括其中。

1，第一種類型的 ZK-EVM 與以太坊完全等效，它們不會更改以太坊系統的任何部分，更易於生成證明。在這種系統中，ZK 證明需要很長時間（幾個小時）才能生成。Taiko 屬於該類型的 ZK-EVM。

2，第二種類型完全與 EVM 等效，但更改了一些不同的內部表示形式，比如鏈狀態的存儲方式，以加速 ZK 證明的生成時間。目前，市面上沒有這種類型的 ZK-EVM；不過，Polygon、Linea 和 Scroll 正在朝這個方向努力。

2.5，在類型 2 和類型 3 之間，還存在一個類型 2.5。這種類型完全與 EVM 等效，只不過增加了某類操作的 Gas 成本，以「大幅縮短最壞情況下的證明時間」。目前，市面上沒有這種類型的 ZK-EVM；不過，一個名爲 Kakarot 的新 ZK-EVM 項目正在朝這個方面發力。

3，類型 3 幾乎與 EVM 等效，不過等效精確性上做出了一些讓步，以進一步縮短證明時間並簡化 EVM 的开發。目前，Polygon、 Linea 和 Scroll 屬於這一類型。

4，類型 4 相當於 ZK-EVM 的高級語言，這一類 ZK-EVM 將智能合約的源代碼編譯爲 ZK-SNARK 友好的語言，這將會帶來更快的證明時間，相應的也會引發不兼容和限制等缺點。目前，zkSync Era 屬於這一類型。

值得注意的是，將有效性證明發回以太坊 L1 所需時間就是用戶將資金轉回 L1 的時間。如果證明生成需要幾個小時，則該用戶在這幾個小時內無法將資金橋接回 L1。

實战：Taiko、Polygon、Linea、Scroll 和 ZkSync Era 开發評測

理論知識復習完畢，以下是實战部分。

通過在 Taiko、Polygon、Linea、Scroll 和 ZkSync Era 上各自部署了 Solidity 智能合約和 NFT 合約，測試每個 ZK-EVM 的性能和存在的相應缺陷，作者還給出了可用的开發者資源，評估主要從开發者體驗以及 L2 到 L1 的橋接時間兩個維度進行。

Taiko ZK-EVM

Taiko 屬於類型 1 ZK-EVM，目前處於測試網階段。Taiko 可准確地處理以太坊的所有行爲；使用相同的哈希函數、gas 價格和加密算法等。

操作過程：部署了一個簡單的 Solidity 智能合約並通過使用 ThirdWeb 代理部署了一個簡單的 NFT 集合。

類型 1 ZK-EVM 的缺點是，當一切都與以太坊完全相同時（即使在內部），生成證明需要很長時間。這意味着，用戶將 ETH 從 Taiko L2 橋接回以太坊 L1 需要幾個小時的處理時間（如下所示）。

Linea ZK-EVM

Linea 屬於類型 3 ZK-EVM，Linea 目前還不能證明所有操作碼或預編譯；代表的是與以太坊不同的鏈內部狀態，比如使用不同哈希函數。

部署的字節碼與以太坊相同。

此次部署過程幾乎無縫，可輕松部署兩個智能合約，並與其進行交互。這與以太坊的行爲相同；可使用現有工具和錢包部署智能合約、與其交互、鑄造 NFT 等。

在撰寫本文時，Linea 還未上线橋接前端界面。因此，只能直接調用橋接的智能合約函數。

Linea 文檔中顯示，ETH 的 L2 到 L1 橋接通常需要大約 15 分鐘，但此次操作案例中大約花了幾個小時。

Polygon ZK-EVM

Polygon ZK-EVM 屬於類型 3 ZK-EVM，自今年 3 月底以來已啓動主網。

Polygon zkEVM 在官方文檔列出了 EVM 和 zkEVM 之間當前的所有差異。

在 Polygon zkEVM 上部署字節碼與以太坊相同，這讓部署智能合約並與其交互變得非常簡單。Vitalik 曾表示，「Polygon zkEVM 具有獨特的設計，他們正在使用 ZK 驗證自己稱爲 zkASM 的內部語言」。

Polygon 工程團隊表示，除了改進證明生成和提款時間之外，未來還將盡快完成剩余的預編譯，目標是成爲 Vitalik 圖表中的類型 2。

此次部署案例中，zkEVM 主網橋接十分順利；L2 -> L1 橋接過程大約需要 1 小時。

Scroll

Scroll 屬於類型 3 ZK-EVM，目前處於測試網階段。Scroll 也在官方文檔中列出了 ZK-EVM 與以太坊 EVM 之間的差異。

和其他 3 型 ZK-EVM 一樣，此次部署過程幾乎無縫，輕松部署了 Solidity 智能合約和 NFT 集合，並進行交互。從 L2 到 L1 的橋接資金預計需要「10 分鐘到幾個小時」。

ZkSync Era

ZkSync Era 屬於類型 4 ZK-EVM。與其他 ZK-EVM 完全不同，在 ZkSync Era 的 zkEVM 上部署的智能合約字節碼與以太坊不同。

這讓 ZkSync Era 提供一個獨特的功能，即對帳戶抽象（Account abstraction）的原生支持，這將帶來不同的开發者體驗。通常情況下，大多數加密錢包只是標准地址，可以發送和接收資金，並與智能合約互動。有了帳戶抽象，加密錢包是定制化的，可以更復雜的方式設計，提供更廣泛的功能。此外，該 zkEVM 仍允許开發者使用相同的高級語言，例如 Solidity。

雖然 ZkSync Era 的 ZK-EVM 與 EVM 差異較大，但 ZkSync Era 提供了一整套开發者最佳實踐和注意事項。此外，开發者需要對开發流程進行一些小調整，以專門針對 ZkSync Era 進行構建。

比如，在下例中，必須使用自定義 zkSync 擴展安裝和配置 Hardhat 環境，以生成可以部署到 Era ZK-EVM 的字節碼。

編譯生成了和以太坊完全不同的全新字節碼，和以上的 ZK-EVM 生成的字節碼完全不同。

值得注意的是，ThirdWeb 目前已經上线 zkSync Era ，爲开發者提供更加方便的部署體驗。

在這次操作中總共部署了兩個智能合約，與它們進行交互，並將資產從 L2 發回 L1。目前，出於安全原因，從 ZkSync Era 主網到以太坊 L1 的提款有 24 小時的延遲。

Kakarot ZkEvm

另一個致力於實現 2.5 類型 ZK-EVM 的是 Kakarot ZkEvm，該項目在今年 6 月獲得了包括 Vitalik Buterin 和 StarkWare 在內的多家機構的融資，Kakarot 計劃於 2023 年晚些時候發布測試網。

結語

對於終端用戶來說，誰贏得比賽並不重要，因爲兼容 EVM 的 ZK 解決方案的進展是整個行業的一大勝利。對於各項目方而言，與其說是一場競賽，不如說是探索不同方法來推進整個行業的進步，Vitalik 甚至還有一個「多證明者理論」，其基礎前提是，不同的 Rollup 可以協同工作，從而增強以太坊的整體安全性。

歸根結底，大家都希望以太坊能夠成功。L2 擴容轉型是 Vitalik 認爲以太坊需要經歷的三個技術轉型之一。未來將如何發展，我們拭目以待。

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