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以太坊:zkSync2.0主網上線在即 先行了解各類zkEVM_Roller Inu

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Vitalik是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,最終所有zkEVM都成為Type-1類。這樣的好處在于,未來會有多個zkEVM,既可以用于ZKRollup,也可以用于驗證以太坊鏈本身。

作者:0x1

原文:《zkSync2.0主網上線之際淺析各類zkEVM》

以太坊的發展路線越來越傾向于ModularBlockchain,其本質就是Layer1的datasharding和Layer2的Rollups擴容相結合,成為一種模塊化架構,從而推動以太坊實現“世界計算機”的初衷。其中Rollups的技術路徑選擇方面,ZKRollup被認為是以太坊擴容的最終目標。

ZKRollup

ZKRollup的核心工作機制是將鏈上的用戶狀態壓縮存儲在一棵Merkle樹中,并將用戶狀態的變更轉移到鏈下進行,同時通過zksnark/zkstark證明來保證該鏈下用戶狀態變更過程的正確性。通俗地理解,ZKRollup可以理解為通過zksnark或zkstark來使用亞線性處理以驗證線性數量的語句。比如,1000條語句需要10次驗證者檢查,10000條語句需要11次驗證者檢查。所以,呈現出來的結果是,ZKrollup可以實現以太坊擴容。

去中心化加密衍生品協議Maverick Protocol已上線zkSync Era主網:4月18日消息,去中心化加密衍生品協議 Maverick Protocol 官方宣布,已上線 zkSync Era主網。Maverick Protocol 此前已在以太坊主網啟動。

此前報道,Maverick Protocol 于 2 月份宣布完成 800 萬美元融資,Pantera Capital 領投。[2023/4/18 14:11:39]

ZKRollup的大致區塊鏈事務處理過程如下:

用戶將他們的資產鎖定在L1上的zkrollup智能合約中;

用戶將涉及這些資產的交易提交給L2,L2中的某些角色將這些交易通過某些規則收集成有序批次,并為每個批次生成有效性證明和聚合狀態更新;

這個狀態更新和證明被提交到L1的zkrollup智能合約并被驗證,就會更新在L1的區塊鏈上;

用戶可以使用這種L1狀態來檢索他們的資產,從而實現完全的自我托管,所以zkrollup也被認為繼承了以太坊安全。

zkEVM的必要性

眾所周知,第一代的ZKRollups是不支持EVM的,可編程性和可組合性較差,只能限定在一些特定的場景,比如:Loopring只能限定在Payments&Swaps等場景;Immutable只能限定在NFTMinting&Trading&Games等場景;zksync1.0其實也不支持zkEVM。不具有通用性。

穩定幣跨鏈交易協議Meson新增支持zkSync Era:3月29日消息,穩定幣跨鏈交易協議Meson新增支持zkSync Era,用戶可將其他支持的鏈上的USDT、USDC和BUSD交易為zkSync Era上的USDC。[2023/3/29 13:33:13]

后來,頭部的那些ZKRollups開始探索,在ZKRollup上研發支持EVM字節碼的代碼執行環境,從而使得以太坊上的智能合約可以從以太坊遷移到ZKRollup上,而無需從頭開始編寫代碼。

EVM是第一個圖靈完備的區塊鏈虛擬機,于2015年發布。它是迄今為止最久經考驗的區塊鏈虛擬機,也是以太坊非常重要的智能合約基礎設施。甚至在談到其他區塊鏈時,也會將EVM兼容與否作為一個評判維度,因為EVM兼容的背后代表的不僅僅是智能合約執行環境,也代表著可用的以太坊生態和工具集,更代表著不可忽視的網絡效應。所以,ZKRollups也沒敢忽略這一塊兒。

zkEVM則可以理解為將EVM作為智能合約引擎運行在ZKRollup中。zkEVM的目標是在不失去Rollup性能優勢的基礎上,將以太坊體驗完全帶入到L2。

截至目前,zkSync2.0、PolygonHermez2.0、Scroll等頭部的通用ZKRollup項目都已經先后推出了zkEVM測試網,StarkNet則已經進入到了AlphaMainnet階段。

zkEVM的兼容性分類

zkSync發布端到端驗證器,正式在公共測試網上運行zkEVM:10月18日消息,以太坊Layer2擴容解決方案zkSync已完成“里程碑3:證明合并”(Milestone 3: Proof Merging),在測試網上發布了zkSync端到端驗證器,通過集成有效性證明,zkSync 2.0正式在公共測試網上運行zkEVM,并將在主網發布前11天展示一個完全運行的ZK-rollup,這也是在11天后上線主網之前的最后一步。

此外在接下來的11天里,zkSync團隊將對其性能和驗證進行重大測試,以確保完全準備好于10月28日在主網上發布。在初步測試后,四季度開發人員可以在主網上進行移植和開發;今年年底前一旦所有安全檢查都通過,將向外部用戶開放。[2022/10/18 17:30:03]

當前的ZKRollups的zkEVM與Ethereum本身并非完全兼容,更遑論“以太坊等效”的終極愿景。所以,不僅以太坊本身的升級規劃在遷就Rollup友好型,各個ZKRollup項目也一直在解決與以太坊的兼容性問題。

Vitalik根據與現有EVM基礎設施的兼容性程度,將zkEVM通用ZKRollup分為4類:

Type-1:完全等效于以太坊

Type-1型zkEVM力求完全且毫不妥協地與以太坊等效。無需改變以太坊系統的任何部分,無需取代哈希、狀態樹、事務樹、預編譯或任何其他共識邏輯。簡而言之,Type-1型的zkEVM完全等效于Ethereum。

Layer2互操作性協議Connext宣布將支持zkSync網絡:2 月 8 日,Layer2 互操作性協議 Connext 宣布支持 zkSync 網絡,用戶很快將能夠在 11 個已支持的鏈和 zkSync 之間即時且廉價地轉移資產,這同時意味著用戶將能夠直接從其他 L2 或側鏈系統加入和退出 zkSync 生態系統,完全避免了支付 L1 gas 成本。[2022/2/8 9:37:29]

Type-1型zkEVM能夠像以太坊一樣驗證以太坊區塊,或者至少驗證執行層端。

Type-1型zkEVM是以太坊最終需要的,也是Rollups的最理想選擇。一方面,Type-1型zkEVM可以讓Rollups重用大量的基礎設施;另一方面,Type-1型zkEVM能使得以太坊Layer1本身更具可擴展性,因為在Type-1型zkEVM上探索的一些對以太坊的修改,也許未來會被引入到Ethereum本身。

當然,Type-1型zkEVM也有缺陷。以太坊最初并非圍繞ZK友好型設計的,因此以太坊協議的許多部分需要大量計算才能進行ZK證明。Type-1型與以太坊一樣,無法緩解在這個事情上的低效。針對這個問題,目前行業里提出的解決方案主要是:通過巧妙的工程大規模并行化證明,或通過ZK-SNARKASIC來實現硬件加速。

目前,主要有兩個團隊在嘗試探索Type-1ZK-EVM,一個是PrivacyandScalingExplorationsteam,一個是Taiko。

Huobi 將ZKS、MASK轉入創新區:據官方消息,Huobi Global 現已將 ZKS (ZKSwap) 和 MASK (Mask Network) 從“全球觀察區”轉入“創新區”,同時解除50000 USDT的持倉限制。[2021/4/2 19:41:36]

Type-2:完全等效于EVM

Type-2型zkEVM力求完全等效于EVM,但不完全等效于以太坊。它們與現有的應用程序也完全兼容,但需要對以太坊進行一些小的修改,以使開發更容易并更快地生成證明。

Type-2型zkEVM對區塊結構和狀態樹之類的數據結構有一些修改。由于這些是EVM本身無法直接訪問的結構,所以在以太坊上運行的應用程序幾乎可以直接在Type-2型zkEVMRollup上運行。雖然無法按原樣直接使用以太坊執行客戶端,但通過一些修改仍可以使用它們,并且還可以使用EVM調試工具和大多數其他開發工具。

通過刪除部分不必要的和ZK不友好的以太坊堆棧,Type-2zkEVM的證明時間比Type-1zkEVM更快些。這些修改雖然顯著提高了證明者的效率,但并沒有根本性解決證明時間慢的問題。總而言之,Type-2的證明時間還是很慢。

Type-3:幾乎等效于EVM

Type-3型zkEVM幾乎與EVM等效,在兼容性方面也有所犧牲,但其EVM更易于開發。

Type-3型zkEVM通過刪除一些在zkEVM中很難實現的功能,以及在處理合約代碼、內存或堆棧方面的調整,總體在等效性方面做出了一些犧牲,實現了更多的驗證器時間、并使EVM更易于開發。

在兼容性方面有所犧牲,由于有一些應用程序使用了被Type-3型zkEVM刪除的預編譯,這些應用程序需要對其中的部分進行重寫。

目前,Scroll和Polygon都屬于Type-3。當然,從長遠來看,還沒有哪個zkEVM團隊公開表明愿意長期停留在Type-3。Scroll和PolygonHermez都在朝著Type-2型zkEVM的方向發展,雖然還有許多復雜的預編譯還沒有實現。

Type-4:高級語言等效

Type-4類實際上屬于zkVM。Type-4系統通過獲取以高級語言編寫的智能合約源代碼,并將其編譯為明確設計為ZK-SNARK友好的某種語言來工作。

優劣勢都很明顯。有非常快的驗證時間,因為Type-4類不對每個EVM執行步驟的所有不同部分進行ZK證明,而是從更高級別的代碼開始,從而降低成本并獲得更快驗證時間。兼容性較差,合約在Type-4系統中的地址與它們在EVM中的地址不同;手寫的EVMbytecode更難使用;很多調試的基礎設施不能被繼承,因為這些基礎設施是運行在EVM字節碼上。

總而言之,Type-4屬于語言級別等效,與字節碼級別等效相比在兼容性方面有較大差距。根據Vitalik的觀點,目前主要有Zksync屬于Type-4類,盡管隨著時間的推移它可能會增加對EVM字節碼的兼容性;基于Nethermind的warp項目正在構建從Solidity到Starkware的Cairo編譯器也會把StarkNet變成Type-4型。

各類zkEVM的比較

這些zkEVM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,Type-1型zkEVM與以太坊的兼容性最高,但證明速度較慢;Type-4型zkEVM與以太坊的兼容性較差,但驗證速度更快。而且我們會發現,現有的ZKRollup的明星項目,包括Zksync、StarkNet、Polygon、Scroll等都屬于Type-4/Type-3這樣的與以太坊兼容性沒有那么高的zkVM/zkEVM類型。

Vitalik是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,最終所有zkEVM都成為Type-1類。這樣的好處在于,未來會有多個zkEVM,既可以用于ZKRollup,也可以用于驗證以太坊鏈本身。

Vitaliki提出的觀點,一般來說很容易達成整個行業的共識,我也非常認可。Type-1型zkEVM的項目在Ethereum生態自然是最受歡迎的、也比較匹配EthereumL1。但Type-4類zkVM也未嘗不是執行層項目的一個好的技術方案選擇。主要有兩點考慮:

放在ModularBlockchain的敘事下,zkVM更方便對接其他L1。如果跳出只是做以太坊生態L2的思維,沒有在字節碼級別兼容以太坊虛擬機,而是選擇采用zkVM,也許反而方便未來對接到其他的L1共識層;

現在ZKRollup的性能頂板是受限于證明生成速度,Type-4類zkVM有優勢。執行層的生成證明的速度還是非常重要的,L2把執行層的性能做到極致,也未嘗不是一個好的思路。雖然說未來能夠通過ASIC硬件加速來提高生成證明的效率,但效果猶未可知,Type-4類zkVM的證明生成速度較快是個挺重要的優勢。

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

費用:以哪些代幣支付費用,L2費用的降低程度也是一個非常重要的考量因素,但由于多數通用ZKRollup項目還處于測試網階段,尚無法做對比;

生成證明的規則:支持哪些人作為Prover,甚至采用哪種硬件來加速生成證明;

L2交易排序的規則:采用單個Sequencer還是采用去中心化的方式;

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ZKRollup采用的較低成本的數據可用性模式。

總而言之,每種ZKRollup的zkEVM是在諸多性能中有所取舍,實際并沒有絕對的優劣之分。

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