Foresight Ventures: 詳解 zk, zkVM, zkEVM 及其未來

作者：SuningYao，ForesightVentures

TL;DR

零知識證明技術，可以保證計算的完整性、正確性和隱私，在區塊鏈擴容和隱私中有應用。

zk-SNARK和zk-STARK各有優點，而它們的合理結合更加有潛力。

zkVM能賦予應用零知識證明能力，zkVM分為使用主流、EVM或全新指令集。

EVM的適配包括EVM兼容性、等同性和Specification上的適配。

zkEVM是兼容EVM而又零知識證明友好的環境，主要分為原生和編譯流派。

基于原生的zkEVM是以太坊和區塊鏈的未來。

支持Solidity生態的通用zkVM是Web3的未來。

零知識證明

不嚴謹但簡單易懂地來介紹一下零知識證明：

你在上小學。老師是驗證者，你作為學生是證明者。你如何證明你掌握了一元二次方程的求解公式呢？那就需要數學考試。

老師會隨機出10道相關的題目，而你如果掌握了，則可以把他們都做出來。在這個過程中，你沒有背誦或者默寫求解公式的具體內容，但是老師卻可以很簡單地驗證你的知識掌握程度。

其實這就是Tartaglia與Cardano(對的，就是這個名字)爭奪誰是一元三次方程發現者時所采用的方法。他們都不想告訴對方自己公式的內容，但是通過做題，就可以很容易地驗證且過程中不透露知識地，判斷他們是否掌握了這一知識。

慢霧：NimbusPlatform遭遇閃電貸攻擊，損失278枚BNB:據慢霧安全團隊情報，2022 年 12 月 14 日， BSC 鏈上的NimbusPlatform項目遭到攻擊，攻擊者獲利約278枚BNB。慢霧安全團隊以簡訊的形式分享如下：

1. 攻擊者首先在 8 天前執行了一筆交易（0x7d2d8d），把 20 枚 BNB 換成 NBU_WBNB 再換成 GNIMB 代幣，然后把 GNIMB 代幣轉入 Staking 合約作質押，為攻擊作準備；

2. 在 8 天后正式發起攻擊交易（0x42f56d3），首先通過閃電貸借出 75477 枚 BNB 并換成 NBU_WBNB，然后再用這些 NBU_WBNB 代幣將池子里的絕大部分 NIMB 代幣兌換出；

3. 接著調用 Staking 合約的 getReward 函數進行獎勵的提取，獎勵的計算是和 rate 的值正相關的，而 rate 的值則取決于池子中 NIMB 代幣和 GNIMB 代幣的價格，由于 NIMB 代幣的價格是根據上一步閃電貸中被操控的池子中的代幣數量來計算的，導致其由于閃電貸兌換出大量的代幣而變高，最后計算的獎勵也會更多；

4. 攻擊者最后將最后獲得的 GNIMB 代幣和擁有的 NIMB 代幣換成 NBU_WBNB 代幣后再換成 BNB，歸還閃電貸獲利；

此次攻擊的主要原因在于計算獎勵的時候僅取決于池子中的代幣數量導致被閃電貸操控，從而獲取比預期更多的獎勵。慢霧安全團隊建議在進行代幣獎計算時應確保價格來源的安全性。[2022/12/14 21:44:29]

零知識證明有什么用呢？用處就是，整個過程可以節省計算算力和壓縮鏈上空間，同時也可以對隱私有保護，符合區塊鏈去信任的特點以及密碼學的基因。

EFFROCE聯合創始人Andrea Castiglione：WOZX可大幅提升EFFORCE系統中用能方式的效率:12月17日，由霍比特HBTC全球商務VP Elsa Qiu主持的“霍比特E姐有約”第13期，進行了主題為“加密技術助力 EFFORCE能源項目”的線上AMA，并邀請到EFFROCE聯合創始人&項目負責人Jacopo Visetti及聯合創始人、公共和投資者關系負責人Andrea Castiglione，為社區用戶帶來了EFFORCE項目及WOZX的深度分享。

在談到WOZX在EFFORCE系統中起到的作用時，Andrea Castiglione稱：每個WOZX代表一份通過參加Energy Performance智能合約獲得獎勵的權利，它也是一種工具，能夠作為某個能效項目在特定時間段內的節能量的保證。產生的節能量會成為WOZX持有者手中的有形資產，WOZX持有者可以決定將它進行出售或者用來抵消電費賬單。以此為基礎的用能方式大大提升了效率，節約成本因此將會變得越來越方便，能源成本居高不下的問題會逐漸得到解決。

“霍比特E姐有約”為霍比特HBTC線上AMA直播欄目，旨在為社區用戶提供一個直觀、清晰、便捷的平臺了解項目，同時為項目方提供一個直接觸達社區用戶、與社區近距離交流的渠道。[2020/12/17 15:34:46]

SNARK和STARK

區塊鏈領域中所用到或者提到的「zk」通常不是真正的零知識證明，而經常是ValidityProof。由于相關詞匯的混亂，所以本文中的某些地方會延續這些「誤用」。

dForce發起提議計劃永久性銷毀USDx協議分解費用:11月1日，去中心化金融協議dForce官方發推稱，社區已發起提議，計劃永久性銷毀從USDx分解中收取的DF費用，與此同時還建議實施USDx協議升級，升級后該協議可以自動銷毀分解費用。官方公布的數據顯示，USDx協議進行分解目前需要支付0.1％的DF。截至2020年10月30日，累計費用為37,678 DF。

注：USDx是由算法穩定幣支持的合成穩定幣，其成分和權重可通過鏈上治理進行調整。幣支持的合成穩定幣，其成分和權重可通過鏈上治理進行調整。1 USDx = 80％USDC + 10％PAX + 10％TUSD。任何人都可以隨時使用該協議鑄造或分解USDx。[2020/11/1 11:22:51]

在目前的區塊鏈版圖中，zk可以說是區塊鏈擴容(不zk的ValidityProof)與隱私技術(真正的zk)的最前沿與最優解決方案，在Tornado.cash、ZCash、zkSync、zk.money、Filecoin和Mina等項目中都有使用。

目前的技術方案主要分為SNARK以及STARK兩類。STARK中的S代表可擴展的，意味著被證明的語句有重復的結構，而SNARK支持任意的電路，這些電路被預處理以實現簡潔的證明。其中對SNARK的技術實踐占據了主導地位，STARK主要有StarkWare在已上線的產品中大規模采用。以下是它們之間的對比。

從Meme的角度而言，STARK比SNARK優秀(?，StarWars，StarTrek)。

ForTube聯合創始人許超：以太坊DeFi火熱并不是一蹴而成:金色財經現場報道，9月20日，由金色財經主辦，水橋區塊鏈總冠名的“共為·創業者大會”在廈門舉辦。在主題為《DeFi沉思錄：距離主流大眾有多遠？》的圓桌對話環節，ForTube聯合創始人許超表示，今年以太坊各個協議之間發生了比較強的化學反應，不管從資產層，借貸層，交易層還是保險層，衍生品層，各個協議之間都有了比較完善的生態和組合效應，加上今年好像并沒有其他的熱點，DeFi就取代了這個熱點。以太坊之所以有這么好的生態，是因為它有非常多的資產，核心的資產并不是今天形成，是在2016、2017年形成的，這些資產經過幾年的沉淀，已經形成了比較穩定的價值。[2020/9/20]

如果SNARK是以太坊2.0的未來，那么STARK就會是以太坊3.0的未來。正經的來說，STARK的優勢在于：

更低的gas(更能scale)

更大的batchsize(更能scale*2)

更快的證明(更能scale*3)

沒有trustedsetup(生成的參數僅對當前的應用有效，若出現了修改需要重新setup)

后量子安全

但是STARK生成的證明的體積更大，并且還大不少，由于比如WASM的一些限制，可能會在構建時需要額外的操作(這里是SNARK)。Mir前段時間在Starky給出了一個AIR-basedSTARK的實踐，是Plonky2的一部分(Plonky2和Starky的關系比較復雜。。。)。我個人認為，體積大可以通過各種手法來優化，但是算法本身的時間復雜度是很難再進一步壓縮的。

聲音 | Sanford C Bernstein & Co.分析師：比特大陸可能正在失去其技術優勢:Sanford C Bernstein & Co.的分析師稱，比特大陸可能正在失去其技術優勢，生產比特大陸芯片的臺積電應該要求比特大陸進行全額預付，并避免僅為與加密貨幣相關的需求增加產能。該分析師還表示，比特大陸芯片的競爭力存在問題，而其他競爭對手也在迎頭趕上。對此，比特大陸和臺積電尚未作出評論。[2018/8/22]

這些零知識證明技術可以通過合理的結合來構建更強大的應用。比如PolygonHermez就通過SNARK來證實STARK的正確性，從而減少最終發布證明時的gasfee。

總結來說，SNARK和STARK都是優秀的零知識證明技術，各有千秋，而它們的合理結合更加有潛力。

zkVM

前面所說到的Tornado.cash和zk.money類似都是僅支持轉賬操作的零知識證明應用，不支持通用的計算。類比來說，這些應用都只有比特幣的功能，遠遠不及以太坊的圖靈完備，更不要說建生態了(比特幣上的智能合約一直沒做出生態來)。

zkVM就是一個由零知識證明來保證安全可驗證可信特性的虛擬機，簡單來說就是，輸入舊狀態和程序，返回新狀態。它能讓所有的應用都被賦予零知識證明的超能力。

Miden在ETHAmsterdam的演講用一張圖很好概括了zkVM到底是什么。

zkVM的優點：

易用：開發者不用學密碼學或者零知識開發就可以使用zkVM來運行程序保證計算安全(不代表完全無門檻)

通用：zkVM可以給任何程序和計算生成證明。

簡潔：相對比較少量constraints就可以描述整個VM(不用重復生成整個VM的電路)。

遞歸：免費的遞歸特性。和通用性一樣，對VM的驗證可以通過VM來進行。這個就挺好玩，比如你可以在zkVM里放一個zkVM，就類似StarkWare說的L3的概念。

zkVM的缺點:

計算架構特殊：并非所有零知識證明系統可以被用來做zkVM。

性能問題：電路需要優化，可以為特定計算進行針對性優化。

現在主流的zkVM有三大類，括號中是它們的指令集：主流(WASM，RISC-V)、EVM(EVMbytecode)、ZK-Optimized(全新指令集，針對零知識證明所優化，比如Cairo和zkSync)。以下是根據Miden在ETHAmsterdam的演講所整理的類型對比圖:

很多零知識證明開發生態所做的事情大多是讓開發者能用Circom庫(以及snarkyjs這種)或者其他新創造的語言(Leo或者Cairo這種語言都有奇奇怪怪的限制)來做通用zkDApp的開發，但是沒有像以太坊上用Solidity那么直接和易學。

除此之外，還有很多項目，比如zkSync，Scroll，或者Polygon旗下的好多家都在嘗試做zkEVM或者其他的zkVM。

EVM

EVM就是以太坊的虛擬機，也可以理解為運行智能合約的一套執行環境。

數年來，各個公鏈都在不停嘗試著去兼容EVM，從而接入到以太坊的開發生態當中。對于這個概念，衍生出了EVM兼容，等同和其他一些定義。

EVM兼容性：Solidity等語言層面的適配。

EVM等同性：EVM字節碼層面的適配。

EVMSpecification適配：也就是通常所說的真正的zkEVM，大多情況下甚至是向后兼容的優化后的超集，能提供賬戶抽象(就是每個賬戶都是一個智能合約)等EVM沒有提供的特性。

zkEVM

我們再來解讀一下zkEVM。定義上來說，zkEVM是一種兼容EVM同時又對零知識證明友好的虛擬機，能保證程序，操作，和輸入輸出等的完全正確性。

對于實現通用計算來說，要做zkEVM主要需要解決兩個難點:

a)電路復雜

不同的合約需要生成不同的電路，而且這些電路很「復雜」。

這方面主要就要靠各種優化了，比如Aleo(不過它不是directZK這一類。。。只是為了舉例說明優化)通過分布式Cluster來并發計算Proof，或者通過各種硬件上的優化來加速。

b)設計困難

zkEVM不止要對EVM進行重構，對以太坊的整體狀態轉換都要用零知識證明技術進行重構。

EVM設計的時候就沒想到后面要做zkEVM，造成了非常大的困難。導致了有兩個門派的路線，都在圖里了。

或者說按VM的架構來分，就長這樣(超級感謝ScrollTech的原圖總結！)。Opcode指的是EVMOpcode。其中StarkWare部分是用Warp來將Solidity轉成Cairo合約，或者直接用Cairo寫合約，一樣能獲得不錯的開發體驗和全套工具。

在開發者和用戶層面，這幾個方案其實我認為是基本無差別的，但是在基礎設施上，越靠右的方案EVM兼容性越好，可以無縫接入Geth等基礎設施，但開發進度基本上也越慢。

zkEVM和zkVM

zkEVM的存在我認為是在以太坊生態上去翻新和打補丁，能為以太坊及其生態的繁榮添磚加瓦，而zkVM的存在卻不一定是給以太坊做加強，同時也具有更大的想象力。

StarkNet的CairoVM盡管可能不是我想象中最完美的zkVM，但它能比EVM或者zkEVM干更多的事，同時這些不止是停留在EIP級別的功能拓展。CairoVM上可以跑機器學習模型，甚至現在還有機器學習模型平臺正在StarkNet上建設。

相比zkEVM，一個zkVM會更加容易被構建(無需擔心EVM的技術債)，更加靈活(無需擔心EVM的更新)，更加容易優化(電路和證明器的軟硬件優化比構建zkEVM簡單和便宜非常多)。

當然zkVM的一個最微小但很致命的缺點就是，如果zkVM無法支持EVM兼容(Solidity語言層面)，那么zkVM就很難像EVM一樣有最完備和成熟的Web3開發生態。

zkVM或許是更大的趨勢，能讓對EVM的縱向優化，變成EVM生態的橫向拓展，跳出了EVM的限制。

zkVM的未來

如果能有一種通用的zkVM能夠讓所有編程語言的智能合約，不止是Solidity，不止是Cairo，而是Rust、C++、Go，在零知識證明的加持下安全運行呢？(Stellar嘗試過，但失敗了。)

正如@kelvinfichter所說的：WhyzkEVMifzkMIPS？正如@KyleSamani所說的：EVMisabugnotafeature。WhyzkEVMifzkVM?

Winterfall或者Distaff或者MidenVM等zkVM都沒有做到非常好的開發友好度。Nervos有RISC-V的VM，但是Nervos沒有用零知識證明技術。

現狀下最優解的方案就是構建一個WASM或者RISC-V的zkVM，最好能支持Rust、Go、C++，甚至Solidity(zkSync好像可以立大功)等語言。如果有這么一個通用zkVM，那么對于zkEVM會是降維打擊。

Web3開發者的數量大概占所有開發者的0.07%，也就可以推斷出，Solidity開發者的數量實際上會比0.07%更少，會用Cairo寫合約或者用Leo寫電路就更少了。這樣完美的zkVM所針對的是幾乎100%的開發者，任何開發者用幾乎任何語言都可以得到一個完美的零知識運行環境。

如果Web3和Crypto有統治世界的一天，我認為絕對不會是EVM生態占據100%的所有開發者，而是所有的開發者會慢慢轉化為Web3和Crypto開發者。這就是通用的zkVM的絕妙之處。

原生zkEVM是區塊鏈的未來。

通用zkVM是Web3的未來。

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