科普 | 一文探究zkEVM：以太坊擴容方案的關鍵_區塊鏈

在以太坊Layer2擴展網絡Arbitrum和Optimism網絡都宣布其主網的公開測試版正式啟動后，Layer2的整體數據增長都極其明顯，這也標志著以太坊Layer2擴展解決方案之一OptimisticRollup已經正式啟動。沒錯，這是一個屬于Layer2的季節。

當像Arbitrum和Optimism這樣的OptimisticRollup成為市場焦點時，另一個Layer2網絡zkEVM也取得了一些關鍵性的進展。現如今，我們看到越來越多地zkEVM已成為擴展以太坊的關鍵。本文就將會帶你深入了解zkEVM的基本原理和發展現狀。

作者：DeGateTeam

來源：Medium

編譯：陳一晚風

概要

1、zkSync宣布推遲8月31日發布其2.0版本。基于zkEVM的zkSync2.0有望成為第一個兼容EVM的zkRollup；

IMF今日發布的加密貨幣科普視頻實為兩年前舊聞，且存在諸多疏漏:國際貨幣基金組織IMF今日在推特上發布了一條關于加密貨幣的科普視頻，這段時長兩分鐘的視頻最初發布于2018年6月。該視頻稱加密貨幣是“貨幣進化的下一步”，但沒有特別提到DLT、區塊鏈，甚至是代幣名稱等術語。BTC、XRP和ETH只出現在說明加密交易的圖形中。盡管這段視頻到目前為止已經獲得了超過13.7萬的點擊量和2900個贊，但來自加密社區的許多反應都是批評的，他們指出了信息中的漏洞和似乎具有誤導性的措辭。

Reddit用戶nanooverbtc稱：“他們犯了很多錯誤，比如把私鑰稱為密碼。”該視頻也沒有討論挖礦或加密貨幣供應。Kraken策略師Pierre Rochard等知名人士表示：“可證明的稀缺性是比特幣有趣的原因，你忘了提這一點。”（Cointelegraph）[2020/8/24]

2、8月13日，Polygon宣布以2.5億美元收購以太坊Layer2擴展解決方案Hermez，其核心技術是其zkEVM解決方案；

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

3、以太坊基金會在一份關于研發進展的定期更新聲明中表示，在過去幾個月中以太坊基金會資助籌建zkEVM團隊，希望能將EVM的所有操作碼直接通過ZK電路實現。

動態 | 鏈客社區聯合北京交通廣播推出區塊鏈技術科普節目:12月11日15:15—16:00，區塊鏈技術社區——鏈客區塊鏈技術社區將聯合北京交通廣播FM103.9從零開始為大眾科普解碼區塊鏈技術，蜻蜓FM及北京廣播網同期進行全球直播。首期做客嘉賓為鏈客區塊鏈技術社區創始人郄建軍和百度區塊鏈產品負責人于雅楠。[2019/12/11]

正如我們所知，在比較OptimisticRollup和ZKRollup的兩種擴容解決方案時，V神認為OptimisticRollups可能會在短期內贏得通用EVM計算。但從長遠來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKrollup才可以在所有的應用場景中“獲勝”。而所謂“ZK-SNARK技術的改進”主要是指zkEVM的成功。

zkEVM的作用

在開始探究zkEVM的作用前，讓我們先來重新認識一下以太坊。從本質上來說，以太坊就是一個基于交易的狀態機。在計算機科學中，狀態機是通過讀取一系列輸入，從舊狀態轉換到新狀態的機器。

聲音 | ETC Labs主管：科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰:ETCLabs主管Darin Kotalik認為，科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰，人們必須要對區塊鏈有基本的認識，分清楚公鏈和私鏈的區別。[2019/8/25]

從創世狀態開始，以太坊通過一個又一個的交易轉換到以太坊的當前狀態。該狀態包含所有帳戶地址及其映射的帳戶狀態。

其中，EVM或以太坊虛擬機負責處理交易。EVM作為堆棧機運行，程序員在其中使用Solidity等高級語言編寫代碼，然后將其編譯為EVM能夠理解的EVM字節碼。EVM以各種EVM操作碼的形式執行標準堆棧操作，最終產生一個新的狀態。

現在問題來了。我們知道zkRollup解決方案需要為Layer2上的交易生成零知識證明，并將它們傳遞回Layer1進行驗證。為了生成零知識證明，交易的處理需要符合zk電路證明規范。而在EVM設計之初，設計者并沒有考慮支持零知識證明。因此我們需要zkEVM。從技術上講，zkEVM的含義是：運行在zkRollup網絡上的虛擬機，兼容EVM并且零知識證明友好。

動態 | 浙江衛視節目科普支付寶區塊鏈防偽溯源產品:昨日，在浙江衛視播出的科普綜藝欄目《智造將來》現場，支付寶首次展示了支付寶區塊鏈防偽溯源產品，以接地氣的方式公開向大眾展示區塊鏈在生活中的應用。[2019/3/4]

兩種實施策略

對于zkEVM來說，目前主要有兩種實現策略。

1、直接支持現有的EVM操作碼集，與Solidity操作碼集完全兼容。使用此解決方案的人包括Hermez和以太坊基金會zkEVM。

2、通過設計一個零知識證明友好的新虛擬機并適應EVM開發工具來保持Solidity兼容性。該方案主要被zkSync使用。

對于第一種策略，由于它完全支持現有的EVM操作碼集，并且使用與EVM相同的編譯器，現有的生態系統和開發工具完全兼容，也更好地繼承了以太坊的安全模型。而第二種策略，它不受原始EVM操作碼集的約束，因此可以更靈活地將代碼編譯為對零知識證明更友好的操作碼集。它還免去了與所有原始EVM操作碼集兼容所需的繁重工作。

總的來說，第一種策略更兼容、更安全，但工作量更大；第二種策略更靈活、工作量更少，但需要額外的努力來適應。

主要解決方案對比

HermezzkEVM

Hermez使用第一種策略，將整個EVM操作碼集轉換為微操作碼。

眾所周知，有一些可變的EVM操作碼，例如CALL、EXP、CREATE等，它們對zk電路證明本質上是不友好的，而這些操作碼的邏輯可以使用微操作碼以一種更友好的方式來表達。微操作碼在uVM中執行，uVM使用大量加密工具實現zk完成，并使用Plookup算法提高證明和驗證效率。

HermezzkEVM的另一個亮點是它同時使用了兩個證明系統，專門生成一個STARK證明，然后使用PLONK或Groth16生成一個STARK證明的證明并在Layer1上進行驗證，就像一個證明的證據。原因是STARK的證明量大，驗證鏈上的成本高，而Groth16或PLONK的證明量小，驗證速度快。兩者的這種組合各有優勢，很容易被認為是一種組合使用非對稱和對稱加密算法的場景。

AppliedZKPzkEVM

與Hermez一樣，AppliedZKPzkEVM也使用第一種策略。AppliedZKP使用BusMapping映射思想來分離存儲和計算。基于BusMapping映射提取的正確存儲數據，State證明證明了數據的一致性，EVM證明證明了計算邏輯的正確性。

具體流程如下：

1.EVM通過BusMapping映射讀取所需的相關狀態。狀態由存儲、內存和堆棧組成；

2.EVM執行操作碼；

3.EVM通過BusMapping映射寫回新狀態；

4.State證明負責BusMapping讀寫數據的一致性和正確性，EVM證明負責EVM操作碼執行的正確性。

zkSyncEVM

與Hermez和AppliedZKP不同，zkSync選擇了第二種策略。zkSync的zkEVM不是EVM的復制品，而是新設計的，可以運行99%的Solidity合約，并確保它在各種條件下正常工作。同時，zkEVM可用于在電路中高效生成零知識證明。

zkSyncEVM使用TinyRAM來實現通用的操作碼集，而消耗大量gas的操作碼，例如SHA256和keccak，將特別實現其電路，最后使用遞歸聚合技術將所有證明聚合為一個以提高效率。

zkSync還為zkEVM開發了兩個編譯器前端：Yul和Zinc。Yul是一種微型Solidity表示，可以為不同的后端編譯成字節碼；Zinc是一種基于Rust的語言，用于智能合約和通用零知識證明電路。這為開發人員提供了更多選擇。

另外，zkSync在構建編譯器時，選擇了LLVM這個生產工業級產品最先進的編譯器框架，以確保編譯器足夠完整，并具有所有經典優化。

總結

從上述這些擴容項目中，我們看到在團隊的不斷努力下，zkEVM技術正在走向成熟，并將在大約六個月內實現與EVM兼容的zkRollup擴展解決方案。

如今，區塊鏈技術正在進入一個前所未有的充滿爭議的時代。從公鏈之爭到以太坊擴容方案之戰，甚至到一個具體擴展解決方案，不同的項目都在相互競爭、追趕和超越，這其中蘊含著對現實世界的巨大游戲，很幸運，我們處于區塊鏈技術技術最具活力的時代。

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