Vitalik：不同類型的 ZK-EVM_以太坊

特別感謝 PSE、Polygon Hermez、Zksync、Scroll、Matter Labs 和 Starkware 團隊的探討與校對。

最近，很多“ZK-EVM”項目很快相繼發出公告。Polygon 開源了他們的 ZK-EVM 的項目，ZKSync 發布了 ZKSync 2.0 的計劃，而 Scroll 作為相對的新秀，最近也宣布了他們的 ZK-EVM 項目。還有 Privacy and Scaling Explorations（隱私和擴容探索）團隊、Nicolas Liochon et al 的團隊，以及 Nethermind 團隊致力于將 EVM 的 Solidity 語言轉譯為 StarkWare 的 ZK 友好語言 Cairo 的一個 Alpha 編譯器，這些團隊都在為此不斷努力，當然，還有一些項目我沒有例舉出來。

這些項目的核心目標是一致的：利用 ZK-SNARK 技術對以太坊類交易的執行生成加密證明，不是讓證明更易于驗證以太坊鏈本身，就是構建（接近）相當于以太坊所提供的一些功能，但比它更具有可擴展性的 ZK-rollups。但這些項目之間也有些細微區別，并且他們在實用性和速度之間所做的權衡也有差異。這篇文章將描述不同 EVM 等效“類型”的分類學，以及每種類型的優勢和開銷。

概覽（圖表形式）

類型 1：完全以太坊等效的 ZK-EVM

第一類 ZK-EVM 力圖成為完全不妥協的以太坊等效 ZK-EVM 。他們不會更改以太坊系統的任何部分來讓它更容易生成證明：不會替換哈希、狀態樹、交易樹、預編譯或是共識中的其他邏輯，不管這些部分多么次要。

Vitalik Buterin：已把2011年制作的游戲上傳到IPFS:金色財經報道，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin在社交媒體上稱，我把在加密前（2011年）做的一款游戲上傳到IPFS。祝好運。

對此，Aave及LensProtocol創始人Stani表示，一件很酷的事情是，有一個哈希值，所以你可以隨時找到游戲并玩它。不知道你用什么來創建它，但是帶有Unity的webGL使得為IPFS渲染變得非常容易。[2023/5/23 15:20:23]

優勢：完美的兼容性

ZK-EVM 的目標在于，能夠像目前以太坊驗證區塊那樣 —— 或者至少，驗證執行層上面的區塊（因此，雖然信標鏈的共識邏輯沒有囊括進來，但是所有執行的交易、智能合約和賬戶邏輯都包含在內）。

第一類的 ZK-EVM 正是我們最終所需要的，能讓以太坊 L1 本身更具有可擴展性。長期來看，在第二類和第三類的 ZK-EVM 中試驗得出的對以太坊的修改，可能會被合理引入至以太坊上，但是這種重新架構本身具有復雜性。

第一類 ZK-EVM 對 Rollup 來說也是理想的，因為它們讓 Rollup 可以重復利用基礎設施。比如，以太坊執行層客戶端可以像原來那樣生成和處理 Rollup 的區塊（至少，一旦實現提款功能，它們可以重新使用該功能來支持 ETH 存入 Rollup），所以區塊瀏覽器、區塊生成等工具可以輕松重新使用。

劣勢：證明生成時間慢

以太坊原本的設計并不是 ZK 友好的，因此，以太坊協議中的許多部分都需要花費大量的計算來生成 ZK 證明。第一類 ZK-EVM 旨在完全復制以太坊的環境，因此，它無法緩解這些計算低效性問題。目前，以太坊區塊證明需要花費多個小時才能生成。這可以通過巧妙的工程（如大規模并行生成證明），或從長遠來看，通過 ZK-SNARK ASIC 來緩解低效性問題。

以太坊創始人Vitalik購買價值50ETH的UBI并進行銷毀:10月20日消息，據鏈上數據，以太坊創始人Vitalik Buterin錢包購買了價值50ETH的UBI并進行銷毀。據悉，Proof of Humanity 是引入人性論證的 DAO，使用社交驗證的登記系統，公開參與、真正民主的一人一票治理系統，$UBI是Proof of Humanity的代幣。[2021/10/20 20:42:02]

誰在構建第一類 ZK-EVM？

Privacy and Scaling Explorations 團隊正在努力構建第一類 ZK-EVM。

類型 2：完全 EVM 等效的 ZK-EVM

第二類 ZK-EVM 力爭成為完全 EVM 等效但也不那么以太坊等效的 ZK-EVM。也就是說，“從內部來看”，他們完全就像以太坊一樣，但是在外部與以太坊有一些區別，尤其是區塊結構和狀態樹等數據結構。

它的目標在于，與現有的應用完全兼容，但它會對以太坊做一些較小的修改，讓開發更容易，也讓證明生成得更快。

優勢：在虛擬機層面完全等效

第二類 ZK-EVM 會改變存儲著如以太坊狀態的數據結構。幸運的是，因為 EVM 本身就不能直接訪問這些數據結構，所以對原本在以太坊上運行的應用程序沒什么影響，它們仍能在第二類的 ZK-EVM rollup 上運行。你可能無法像原來那樣使用以太坊執行層客戶端，但你可以通過一些修改來使用客戶端，并且依舊能使用 EVM 調試工具和大部分其他開發者基礎設施。

還存在少數例外情況。當驗證以太坊歷史區塊的默克爾樹證明來驗證歷史交易、收據或狀態的聲明（比如，橋接有時候也會這么做）時，應用程序出現了不兼容。如果 ZK-EVM 用不同的哈希函數來替換 Keccak，那就會損壞這些證明。而且，我經常建議不要這樣構建應用程序，因為未來的以太坊更新（如 Verkle tree）甚至會影響以太坊上的應用。更好的選擇是以太坊自己添加不會過時的 (future-proof) 歷史訪問預編譯。

Vitalik Buterin將出鏡的以太坊紀錄片3天內超額募資1035.96枚ETH:7月19日消息，Vitalik Buterin將出鏡的一部以太坊的紀錄片“Ethereum:TheInfiniteGarden”在3天的時間內超額募資1035.96枚ETH（約197萬美元），該紀錄片的籌資目標為750枚ETH。募資金額的95%將用于電影的制作預算，約984.16枚ETH；2%通過捐贈至Carbonfund進行碳抵消，約20.72枚ETH；3%捐贈給GitcoinGrants用來支持開源以太坊項目，約31.08枚ETH。根據該紀錄片預計的時間表，該影片將于2023年冬季推出。[2021/7/19 1:02:38]

劣勢：已經改進過了但還是證明時間太慢

第二類 ZK-EVM 能比第一類提供更快的證明生成時間，它主要通過移除部分以太坊堆棧，這部分堆棧依賴于具有不必要復雜性和 ZK 不友好的加密學。特別是，這些堆棧可能會更改以太坊的 Keccak 和基于 RPL 的 Merkle patricia tree，也許還會更改區塊和收據結構。第二類 ZK-EVM 則是會使用不同的哈希函數，如 Poseidon。自然而然地，它會修改狀態樹以儲存哈希碼和 Keccak，不需要驗證哈希以處理 EXTCODEHASH 和 EXTCODECOPY 操作碼。

這些修改極大地改善了證明生成的時間，但它們沒有解決所有問題。這類 ZK-EVM 繼承了 EVM 本身帶來的低效性和 ZK 不友好問題，所以像原本那樣基于 EVM 生成證明的低效情況依然存在。內存就是最簡單的例子：因為  MLOAD 可以讀取任何 32 字節，包括“無序的”代碼段（其開頭和結尾都不是 32 的倍數）， MLOAD 也不能單純理解為對一段代碼的讀取；確切地說，它可能需要讀取兩個連續的代碼段和執行位操作來結合運行結果。

動態 | EOS 的Activity指數為61,173,284:據IMEOS報道，截止01月24號11點，blocktivity.info上顯示，排名第一的 EOS 的Activity指數為61,173,284 ，排名第二、第三分別為 TLOS 和 KIN 。Acitivity指數為最近24小時內在區塊鏈上執行的操作數量。[2020/1/24]

誰在構建第二類 ZK-EVM？

Scroll 的 ZK-EVM 項目正在構建第二類 ZK-EVM，Polygon Hermez 也是。即使如此，還沒有項目真的成為第二類 ZK-EVM；尤其是很多更加復雜的預編譯還沒實現。所以，目前來說，這兩個項目應該說屬于第三類 ZK-EVM。

類型 2.5：EVM 等效，除了 gas 開銷

在最糟糕的情況下，有一種能夠極大地改善證明生成時間慢的方式是，大大提高那些難以在 EVM 中生成 ZK 證明的執行所花的 gas 開銷。這些執行可能涉及預編譯、KECCAK 操作碼，還可能涉及調用合約的特定模式、訪問內存/存儲或是回滾。

更改 gas 開銷可能會降低開發者工具的兼容性，損壞一些應用，但總體上，它的風險比“更深入地”變更 EVM 來說更少。開發者需要注意，不要消耗超出一個區塊所容納的 gas 上限，也永遠都不要用硬編碼 gas 數來進行調用（這已經是長期以來對開發者的標準建議了）。

另一種管理資源限制的方式是，只要對每個操作能被調用的次數設定硬限制就好了。這在電路中的實現很簡單，但是對 EVM 的安全假設就不太好了。我更愿意將這種方法稱作第三類 ZK-EVM，而不是類型 2.5。

類型 3：幾乎是 EVM 等效的

第三類 ZK-EVM 幾乎是 EVM 等效的，但需要對完全等效性做一些犧牲，以進一步改善證明生成時間，并促進 EVM 更易于開發。

動態 | Gravity Earth利用區塊鏈改變難民生活:據TechCrunch報道，總部位于肯尼亞的分布式賬本技術(DLT)初創公司Gravity Earth正利用這項突破性技術，管理難民的數據，并通過區塊鏈技術讓他們獲得金融服務，從而改變難民的生活。[2018/12/4]

優勢：易于構建，證明生成時間更快

第三類 ZK-EVM 也許會取消一些格外難以在 ZK-EVM 實現中實現的功能。預編譯通常會是這類功能中最難實現的；此外，這類 ZK-EVM 有時也在處理合約代碼、內存和堆棧方面有些許不同。

劣勢：兼容性更差

第三類 ZK-EVM 的目標是與大部分應用程序兼容，它只需要對剩下的應用進行極少的改寫。即使是這樣，也需要對一些應用進行改寫，因為這些應用會使用第三類 ZK-EVM 已經取消的預編譯，或是因為它們對邊緣情況有著微妙依賴性，而 VM 會以不同的方式處理。

誰來構建第三類 ZK-EVM？

Scroll 和 Polygon 現在的形式都屬于第三類 ZK-EVM，盡管他們預計會隨著時間改善兼容性。Polygon 的設計很獨特，他們用著自己的內部語言 zkASM 驗證 ZK，并且他們會使用 zkASM 的實現來轉譯 ZK-EVM 代碼。雖然其實現細節是這樣的，但我還是愿意把它稱為真正的第三類 ZK-EVM。它依舊能夠驗證 EVM 代碼，只是用著一些不同的內部邏輯罷了。

現在，還沒有 ZK-EVM 團隊想要成為第三類 ZK-EVM；該類型僅僅是完成預編譯添加這一復雜工作和項目能夠轉為類型 2.5 之前的過渡階段。然而，通過添加新的 ZK-SNARK 友好的預編譯，為開發者提供證明生成時間短、gas 開銷低的功能，第一類和第二類 ZK-EVM 在未來可能會自發成為第三類 ZK-EVM。

類型 4：高級語言（high-level-language）等效

第四類 ZK-EVM 系統的工作原理是，采用高級語言編寫智能合約源碼（如 Solidity、Vyper，或一些由兩者編譯而成的中間語言（intermediate）），并將這些源碼編譯為一些明確設計成 ZK-SNARK 友好的其他語言。

優勢：極快的證明生成時間

不將 EVM 的每個執行步驟的所有環節生成 ZK 證明，而是直接開始證明高級語言編寫的代碼，這樣你可以避免掉很多開銷。

在本文，雖然我只用了一句話來描述這種優勢（對比以下兼容性相關的劣勢要點列表來說），但這句話不應該被解讀為價值判斷！從高級語言直接編譯真的可以極大地減少開銷，并通過讓證明過程變得容易而推動去中心化。

一個用 Vyper 或 Solidity 編寫的“正常”應用程序能夠被編譯出來，并且它“可以運行”，但在很多重要情況下，很多應用會變得不“正常”：

第四類 ZK-EVM 的系統中的合約地址與 EVM 中的可能不一樣，因為 CREATE2 合約地址取決于具體的字節碼。這破壞了依賴于尚未部署的“反事實合約”的應用、ERC-4337 錢包、EIP-2470 單例和許多其他應用程序。

手動編寫的 EVM 字節碼更難投入使用。很多應用程序為了效率，會使用手動編寫部分 EVM 字節碼。盡管有很多種方式可以實現對這類有限制的 EVM 字節碼的支持，可以在無需完全成為第三類 ZK-EVM 的情況下將這些用例應用起來，但第四類 ZK-EVM 的系統可能不會支持這種手動編寫的字節碼。

很多調試基礎設施無法繼續生存，因為這種基礎設施都基于 EVM 字節碼運行。盡管如此，但我們可以通過“傳統”高級語言或中間語言更輕松地訪問調試基礎設施，以減輕這種劣勢（比如 LLVM）。

開發者應該留心這些問題。

誰在構建第四類 ZK-EVM？

ZKSync 系統就是第四類 ZK-EVM，雖然它可能會隨著時間提高 EVM 字節碼的兼容性。Nethermind 的 Warp 項目正在構建從 Solidity 語言轉譯為 StarkWare Cairo 語言的編譯器，這個編譯器將會把 StarkNet 變成真正的第四類 ZK-EVM 系統。

各個 ZK-EVM 類型的未來

并不是說這些類型比其它類型“更好”或“更差”。相反，相較之下他們各有不同：從類型 1 至類型 4，編號較低的 ZK-EVM 類型和現有的基礎設施更加兼容，但運行得更慢；而編號較高的 ZK-EVM 類型則和現有的基礎設施不那么兼容，但運行得更快。總之，對所有 ZK-EVM 類型的探索有益于該領域的健康發展。

另外，ZK-EVM 項目可以隨著時間的推移，輕松地從編號高的 ZK-EVM 開始，然后轉為編號低的類型（反之亦然）。例如：

ZK-EVM 可以在一開始作為第三類 ZK-EVM 投入使用，不去加入一些特別難以生成 ZK 證明的功能。之后，他們可以隨著時間的推移而加入那些功能，繼而轉變為第二類。

一開始作為第二類別的 ZK-EVM，通過在完全兼容以太坊的模式下運行，或使用在修改后能更快生成證明的狀態樹，這類 ZK-EVM 可以在之后變成第二類和第一類 ZK-EVM 的混合類型。Scroll 就正在考慮向這個方向發展。

一些一開始屬于第四類系統的 ZK-EVM 項目，可以通過之后添加 EVM 代碼處理的功能，繼而隨著時間變成第三類 ZK-EVM（盡管開發者還是會被鼓勵直接從高級語言編譯，以此減少費用和證明生成的時間）。

如果以太坊自身為了變得更加 ZK 友好而采用一些修改，那么第二類和第三類可以成為第一類 ZK-EVM。

第一類或第二類 ZK-EVM 可以通過增加驗證 ZK-SNARK 友好語言代碼的預編譯，變成第三類 ZK-EVM。這為開發者在以太坊兼容性和運行速度之間提供了一個選擇。這可以算是第三類 ZK-EVM，因為它會破壞完美的 EVM 等效，但出于實際意圖和目的，它可能還會具有很多第一類和第二類 ZK-EVM 的優勢。它不好的地方可能是，一些開發者工具無法理解 ZK-EVM 的自編譯，雖然這點也可以修復：開發者工具可以通過支持包括 EVM 代碼等效的預編譯實現在內的配置格式，以此增加通用的預編譯支持。

就個人而言，通過結合 ZK-EVM 中的改進與讓以太坊變得更加 ZK-SNARK 友好的改進，我希望這些項目全部慢慢變成第一類 ZK-EVM。在這樣的未來里，我們也會有多種 ZK-EVM 實現，可以用于 ZK rollup，也能用來驗證以太坊鏈本身。理論上，以太坊沒有必要標準化單個 ZK-EVM 的實現來供 L1 使用；不同客戶端可以使用不同的證明，我們才能繼續從代碼冗余中獲益。

不論如何，我們還需要一些時間來迎接這種未來。同時，我們也會在擴容以太坊和開發基于以太坊 ZK rollup 的不同賽道上看到大量創新。

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