坎昆升級前夕 縱覽以太坊 zkEVM 江湖_以太坊

作者：RJ；來源：作者推特@0xRJ_eth

預計于 2023 年秋冬實施的以太坊重大升級——坎昆升級（Cancun-Deneb Upgrade），核心目標是增強以太坊網絡的可擴展性、安全性和可用性，同時極大程度降低二層網絡的Gas費。因此，如若成功實施，將直接利好太坊二層擴容（L2 Rollups）生態，甚至有望帶動整個 L2 賽道的爆發。

在 L2 擴容賽道中，具有極佳數據壓縮性能的零知識證明擴容方案（ZK Rollups）已然被認為是以太坊的中長期核心方案。以太坊創始人 Vitalik 于 2022 年根據各家 ZK Rollups 與 EVM（Ethereum Virtual Machine）以太坊虛擬機的兼容性將其分為 4 種不同的類型，為 zkEVM 類型確立了基礎標準。

這篇文章深受上述 Vitalik 的開創性分類標準的啟發。經過一年的發展，該領域已取得重大進展。本文旨在以清晰的邏輯和簡潔的語言，以 Vitalik 見解為基礎，提供賽道更新和更詳細的詮釋（技術小白友好）。

EVM（Ethereum Virtual Machine）以太坊虛擬機，是第一個圖靈完備的區塊鏈虛擬機。可以理解為是以太坊上的代碼運行環境，專門用以執行部署在以太坊網絡上的智能合約。通過 EVM，智能合約能夠在去中心化網絡上實現自動化的功能。

作為2015年發布的、迄今為止最久經考驗的區塊鏈虛擬機，EVM 絕對是以太坊非常重要的基礎設施。甚至在評判其他區塊鏈時， EVM 兼容與否已是一個重要的考量維度，因為 EVM 兼容的背后代表的不僅僅是智能合約執行環境、可用的以太坊工具集，更代表著巨大的網絡效應和成熟復雜的生態。

不過，EVM 在設計之初，并未想象到有朝一日 ZK Rollup L2 會成為以太坊擴容的核心方案，因此 EVM 的設計并沒有考慮要對零知識證明友好。這就使得構建零知識證明友好的 EVM （zkEVM）變得非常困難。

正因為零知識證明（Zero Knowledge Proof）和以太坊虛擬機（EVM）兼容方面的難度之高，早期的 ZK Rollup 是不支持 EVM 的。它們普遍缺乏執行智能合約的能力（或者支持特別的虛擬機），因此受限于相對簡單的特定場景：比如 代幣兌換（swap）和支付（payment）。

Web3信息分發協議RSS3宣布已新增支持Base網絡:8月10日消息，據官方消息，Web3信息分發協議RSS3宣布其已新增支持由Coinbase孵化的L2網絡Base，Base主網已于今日早些時候宣布正式向公眾開放。[2023/8/10 16:17:24]

為了解決這個問題，許多組織和研究人員專注于創建 zkEVM （Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine），顧名思義，它就是為智能合約在EVM中的執行（過程和結果）生成零知識證明的。

隨著 ZK Rollup 擴容方案確定性的增加和技術的進展，各家zk擴容項目根據在兼容性 Compatibility 和性能 Performance（生成零知識證明的時間 Proving Time）之間做衡量和取舍，開創了不同的將 EVM 執行與零知識證明計算結合的方法。

來源：Vitalik 博客《The different types of ZK-EVMs》

2022年 Vitalik 曾發文闡述“不同類型的 zkEVM”，并將市面上的zk擴容項目做了大致的分類和對比。

接下來讓我們用淺顯的語言和清晰的邏輯梳理一下 zkEVM 的類型、技術架構、以及各自的優缺點。

Type1 類 zkEVM ：完全等效于以太坊

Type2 類 zkEVM ：完全兼容 EVM 以太坊虛擬機（曾經還有 Type2.5 類，如今看來基本與 Type2 類融合了）

Type3 類 zkEVM ：幾乎兼容 EVM 以太坊虛擬機

Type4 類 zkEVM ：兼容高級語言

完全等同于以太坊且無需改變以太坊系統環境的任何部分。

無需取代哈希（Hashes）、狀態樹（State Trie）、交易樹（Transactions Trie）、預編譯的合約（Precompiles)，和任何其他共識邏輯（In-consensus Logic）。

阿里巴巴集團副總裁、全球速賣通總經理張凱夫將轉崗負責Web3:金色財經報道，阿里巴巴集團副總裁、全球速賣通總經理張凱夫（花名：凱夫）將轉崗負責Web3，目前，凱夫的組織架構關系尚未調整，名義上仍是向蔣凡匯報。凱夫曾長期領導淘寶商家與行業線，是蔣凡舊部，與平疇（湯興）、吹雪（楊光）、家洛（劉博）并稱為“大淘寶四大金剛”。目前，凱夫轉崗的原因暫不明朗，外界猜測或許跟速賣通業務發展不順有關。[2023/3/2 12:37:44]

其目標是與現有的應用程序完全兼容，開發者可以將應用程序絲滑地照搬過去。

是所有類型 ZK Rollup 中兼容程度最高的方案。因此也是開發者最友好對方案——允許開發者將現有代碼零摩擦（無需修改）地部署到 L2 上運行，因為所有的共識邏輯和系統環境完全等同于以太坊。

和以太坊本身探索擴容的方向高度一致，因為在 Type1 類 zkEVM 上的探索，未來是可以被無摩擦地引入到 Ethereum 本身，從而使得以太坊 L1 本身更具可擴展性。

它可以讓 Rollup 無摩擦地照搬現有的海量以太坊基礎設施（例如：以太坊執行客戶端可以按原來的方式用于生成和處理 Rollup 區塊、現有的區塊瀏覽器和區塊生成等工具也可以絲滑地部署到 L2）。

能夠如同現在的以太坊一樣驗證以太坊區塊，或者更確切來說是驗證執行層端（包括所有交易執行、智能合約和賬戶邏輯，但目前還不包括信標鏈共識邏輯）。

正如先前提到的，完全等價以太坊的一大價值，便是可以借助以太坊現有的巨大網絡效應和成熟復雜的生態。

以太坊在融合零知識證明方面所面臨的問題，Type1 類方案也同樣面臨（畢竟它是以太坊等價，而以太坊最初并非為了zk功能設計的）。

最大的問題就是生成證明所需時間久。針對這個問題，目前行業里主要的解決方案主要是：通過巧妙的工程大規模并行化證明，或通過 硬件優化來加速。

以太坊基金會PSE（Privacy and Scaling Explorations 隱私和擴容）團隊

Taiko：今年7月已更新至 Alpha-4 測試網，預計 2024 年年初上線主網。Taiko 項目從最初就優先考慮去中心化和兼容性，是目前第一家且唯一一家實現去中心化提議者（proposer）的 ZK Rollup。

Coinbase將Audius（AUDIO)添加至路線圖資產列表，并將上線Threshold（T）:1月24日消息，Coinbase于今日凌晨宣布將Audius（AUDIO)添加至路線圖資產列表，并將上線Threshold（T）。Coinbase還表示，NuCypher（NU）和KeepNetwork（KEEP）曾于2021年底合并為Threshold（T），為支持Threshold（T），平臺于2月7日1:00左右禁用NU和KEEP的交易，NU和KEEP的提現不受影響。Coinbase將于1月26日1:00開放T的轉賬，預計于1月27日1:00開放T的交易。

Coinbase不支持從NU或KEEP到T的Token互換，持有NU或KEEP的用戶可將資金取到一個自托管的錢包，然后在ThresholdNetwork儀表板上將NU或KEEPToken轉換為T。[2023/1/24 11:28:18]

力求完全兼容 EVM 以太坊虛擬機，但不等效于以太坊。

與以太坊自身的運行環境相比，此類型zkEVM 主要對區塊結構、狀態樹的數據結構、gas fee的定價邏輯（根據 zk 友好度重新定價）和數據存儲等方面進行了一些修改，使zk驗證證明生成得更快更便宜。

其目標是盡可能與絕大部分現有應用程序兼容，少數應用需進行一些改動。

通過對 gas fee 的重新定價（越 zk 不友好的 op code 價格越貴，反之亦然），和刪除部分對 ZK 不友好的以太坊堆棧，來提供比 Type1 類更快的驗證時間。

Type2 類型可以做到與極大部分現有的以太坊應用程序兼容，因此絕大多數開發者和用戶層面基本感受不到摩擦。

雖無法零修改地直接使用以太坊執行客戶端，但通過一些調試仍可以支持現有的 EVM 調試工具和其他開發基礎設施。因此仍在極大程度上可以借力于以太坊現有的繁榮生態。

更改執行環境的影響范圍雖小，但中長期依舊存在潛在的開發問題。比如將以太坊常用哈希（Keccak）替換為其他 zk 友好的哈希值（例如 Poseidon ），有可能會導致那些依賴于 Keccak 哈希值（涉及到歷史數據）的程序應用（比如：跨鏈橋。大致原理：跨鏈橋不是實時通訊，通常是你在A鏈做了一個行為——比如已經burn了什么；要在B鏈做相互對應行為——要鑄造什么…那本質就是你在B鏈上需要去證明A鏈的歷史數據，因此會涉及到使用Keccak來證明歷史數據）在遷移到 Type2 類型項目后出現不兼容問題（無法使用、或者跑出不同結果）。

美債市場預測美聯儲明年將降息50個基點 利率料在年初見頂:6月30日消息，債券市場周三轉向預測美聯儲將在2023年某個時候降息50個基點，越來越多交易員押注美國經濟衰退將使美聯儲暫停大幅加息腳步。市場對通脹的預期與汽油價格一起急劇下跌，股市的痛苦引發了對美國國債的興趣，收益率全線承壓。與明年美聯儲會期掛鉤的利率掉期顯示，交易員預計到明年12月利率將接近3.11%，比預估在3月份達到的3.62%頂部下降了逾50基點。美國國債收益率全線下跌5-7個基點。5年期通脹保值債券的盈虧平衡利率下跌多達14個基點，至2.61％。(金十)[2022/6/30 1:40:21]

對gas fee定價規則的更改（本意是通過重新根據對 zk 友好程度來定價 op code，來“引導”開發者減少使用 zk 不友好的 op code），對于已經在以太坊上已經進行過 gas fee 優化的合約、甚至是以太坊上的gas fee優化工具就會帶來問題。

這些修改雖然和 Type1 類 zkEVM 相比，進一步提高了證明者的效率，但和 Type4 類 zkEVM 相比，證明時間依舊是一個相對缺點。

Scroll：2022 年 9 月上線 Pre-Alpha 測試網，2023 年 2 月上線 Alpha 測試網，預計于 2023 年 8 月上線主網。測試網上線時屬于 Type3 類 zkEVM，但正在逐步增強 EVM 兼容性并向 Type2 類 zkEVM 過渡。

Polygon zkEVM（Polygon團隊的 ZK Rollup 方案）：2023 年 3 月上線了主網 Beta 版本。上線時屬于 Type3 類 zkEVM，但目前在向 Type2 類 zkEVM 過渡。

Vitalik 在其 2022 年的 blog 文章中稱，Type3 類 zkEVM 更像是一個過渡（通過提高兼容程度過渡為Type2/1 類；或者通過降低兼容程度、提升 zk 友好度，過渡為Type4 類)。

近乎兼容 EVM 以太坊虛擬機。通過在兼容性方面進一步犧牲，使其 zkEVM 更易于開發、zk 證明生成速度更快。

刪除了更多在 zkEVM 中難以實現的功能（比如預編譯功能）。

德國退稅公司Tax Free與Legoworld合作推出NFT退稅+旅游相關業務:5月25日消息，德國最大傳統退稅公司Tax Free Germany GmbH、旅游公司Eastsong Gernamy等與Legoworld合作布局元宇宙，進軍Web3.0領域。

據悉，Tax Free與區塊鏈沙盒游戲Legoworld聯合推出首個NFT退稅+旅游相關業務。將通過Gamefi+NFT為傳統用戶提供更便捷的衍生服務。Legoworld是一款以NFT+LEGO風格進行虛擬身份認證，繼承Sandbox的沙盒建造，模擬經營類鏈游，已經發布多個傳統地產，互聯網企業的入駐合作，波蘭運動員 LucjanBiaszozyk建立首個Legoworld運動系列NFT虛擬IP。（WDwire）[2022/5/25 3:41:17]

在處理合約代碼（contract code）、內存（memory）或堆棧（stack）方面存在更大差異。

目標是與大多數現有應用程序兼容。

相比起 Type1 和 Type2 類 zkEVM，此類型更加 zk 友好，運算 zk 證明時間更短。

相比起 Type4 類 zkEVM 可以兼容的現有以太坊應用程序更多。

相比起 Type1 和 Type2 類 zkEVM，此類存在更高的不兼容性和更多元素的犧牲（對以太坊開發者更加不友好）。這也是為什么 Type3 類更像是一個過渡，處于此類的方案大概率會通過提升兼容度，過渡到type2 類 zkEVM。

相比起 Type4 類 zkEVM 證明速度更慢。

Scroll：2022 年 9 月上線 Pre-Alpha 測試網，2023 年 2 月上線 Alpha 測試網，預計于 2023 年 8 月上線主網。一年前Scroll屬于此類型，但目前通過提升以太坊兼容度，在向 Type2 類 zkEVM 發展。

Polygon zkEVM（Polygon 團隊的 ZK Rollup方案）：2023 年 3 月上線了主網Beta版本。上線時屬于 Type3 類 zkEVM，但目前在向 Type2 類 zkEVM 過渡。

此類實際上屬于 zkVM（零知識證明虛擬機，而非零知識證明以太坊虛擬機）。

可以理解為編程語言層面的兼容。大致邏輯是：開發者可以繼續使用他們在以太坊上習慣使用的編程語言（比如 Solidity）編寫智能合約。此類型項目會用編譯器將此編程語言轉換為它們自定義的可讀代碼（比如 Starkware 使用 Warp 編譯器將 Solidity 代碼轉換為 Cairo 字節碼；zkSync 通過 LLVM 編譯器將 Solidity 代碼轉換為其自定義的虛擬機可執行的代碼 LLVM-IR）進行編譯，并在它們自定義的環境中（比如 Starknet 的 Cairo VM 和 zkSync 的 Sync VM）執行。

目標是低成本、高效率、最大化零知識證明友好性。

優點：

非常快的驗證時間。

直接從高級語言編譯可以大大降低成本（時間、金錢和計算工作量）。

降低成為證明者的技術門檻，提高去中心化程度。

此類 zkEVM 可以通過使用其自定義的虛擬機原生支持帳戶抽象（Account Abstraction）。因為 EVM 等效的鏈無法原生支持賬戶抽象，需要通過以太坊的 ERC-4337 來實現。

大量現有的以太坊應用程序無法被復制到這類 zkVM 中，或者在復制過程中會出現問題：比如 合約在 Type 4 類 zkVM 系統中的地址可能與 EVM 中的地址不一樣；Type4 類 zkEVM 不支持手寫的 EVM 字節碼（而目前許多應用程序都會使用手寫的 EVM 字節碼以節省gas fee）；（先前提到了此類型是通過編譯器達到 Solidity 代碼語言層面的兼容）其編譯器并不支持 Solidity 的一些功能。

以太坊開發者如果想將應用部署到此類項目上，需要進行更復雜的的調整。因此，和前幾類 zkEVM 相比，此類項目的開發者友好度相對低，有可能影響生態的發展和技術的迭代速度。

極難借力于以太坊現有的復雜繁榮的生態和網絡效應。

zkSync Era（Matter Labs 團隊構建的 ZK Rollup 方案）：2020 年 6 月上線 zkSync Lite（zkSync 1.0），主要支持簡單的支付（payment）和資產兌換（swap）場景，并不支持 EVM兼容的智能合約；2023年3月上線 zkSync Era（zkSync 2.0），通過上述架構可以實現在高級語言層面的兼容。zkSync 的目標本就不是 EVM 兼容，而是提高零知識證明生成速度。

Starknet（Starkware 團隊構建的 ZK Rollup 方案）：2021 年 11 月上線主網，今年 7 月已更新至 v0.12.0 版本。其自身屬于 Type4 類 zkEVM，目標本就不是 EVM 兼容。但目前它上面也有像 Kakarot 這樣的項目，旨在使 Starknet 也能達到類似 Type 2.5-3 類 zkEVM 的兼容程度）。

基于 Vitalik 2022 年對于不同 zkEVM 的分類，再結合各家項目的進展（截止2023年8月），我們可以用下圖簡單地總結：

各家主流 ZK Rollup 項目分類

各家主流 ZK Rollup 項目對比圖

Vitalik 在其文末總結稱：“就我個人而言，我希望隨著時間的推移，通過 zkEVM 的改進和以太坊本身的改進相結合，使其（以太坊）對 ZK-SNARK 更加友好，最終一切都將成為 Type1 類。

在這樣的未來，我們將有多個 zkEVM 實現，它們既可以用于 ZK Rollup（零知識擴容），也可以用于驗證以太坊鏈本身。從理論上講，以太坊沒必要為L1（第一層）使用制定單一的、標準化的zkEVM 規范；不同的客戶端可以選擇使用不同的證明方式，這樣我們就可以繼續受益于代碼層面的冗余。

但是，要實現這樣的未來，還需要相當長的時間。與此同時，在以太坊（自身）擴容和基于以太坊的ZK Rollup 的不同路徑方面，我們也將會看到大量的創新。”

同時，需要強調的是，雖然市面上主流的 zkEVM 分類方式是 Vitalik 2022年推出的分類（本文引用的），但同時也存在其他的分類標準。且無論如何分類，這些 zkEVM 類型并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：Type1 類 zkEVM 與以太坊的兼容性最高，但證明速度較慢（在 ZK Rollup 賽道中屬于）；Type4 類 zkEVM 與以太坊的兼容性較差，但驗證速度更快。

當然，zkEVM 的兼容性和速度實際上并不是開發者考量應該基于哪個 ZK Rollup 去部署應用的唯一指標。還有許多其他的因素會影響他們的選擇，比如：

L2 交易排序的去中心化程度：sequencer/proposer是否是去中心化的，這直接影響到生態參與者的復雜程度，以及整個網絡的安全性；

費用：以哪些代幣支付費用、一條公鏈的代幣經濟模型如何；

生成證明的規則：對于prover的激勵機制、加速生成證明的硬件標準；

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 采用的較低成本的數據可用性模式。

但由于多數通用 ZK Rollup 項目目前還處于測試網階段，以上諸多因素尚無法做橫向對比。

最后，任何 zkEVM 項目所屬的類型也并非是靜態不變的。隨著各家方案在 zkEVM 方面的探索、甚至是以太坊本身的改進，有可能所有方案最終都能達到 Type 1 類 zkEVM 的效果。屆時我們將有多個 zkEVM 實現——既可用于 ZK Rollups，又可用于驗證以太坊鏈本身。

而在那之前，讓我們期待看到在擴展以太坊和 ZK Rollup 不同路徑上的持續創新。

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