zkSync2.0主網上線之際淺析各類zkEVM_以太坊

以太坊的發展路線越來越傾向于Modular Blockchain，其本質就是Layer1的data sharding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，ZK Rollup被認為是以太坊擴容的最終目標。

ZK Rollup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，ZK Rollup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，ZK rollup可以實現以太坊擴容。

ZK Rollup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zk rollup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（Sequencer，早期多數項目是中心化的，也有項目開始采用去中心化方式）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（zksnark/zkstark）和聚合狀態更新；

zkSync Era PancakeSwap 上的 TVL達到100萬美元:金色財經報道，去中心化交易協議PancakeSwap表示，zkSync Era PancakeSwap 上的 TVL 已達到 100 萬美元。[2023/7/30 16:07:28]

這個狀態更新和證明被提交到L1的zk rollup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（取決于不同的數據可用性機制）來檢索他們的資產，從而實現完全的自我托管，所以zk rollup也被認為繼承了以太坊安全。

眾所周知，第一代的ZK Rollups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NFT Minting&Trading&Games等場景；zksync1.0其實也不支持zkEVM。不具有通用性。

后來，頭部的那些ZK Rollups開始探索，在ZK Rollup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ZK Rollup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，ZK Rollups也沒敢忽略這一塊兒。

zkSync Era活躍度超越Immutable X和Optimism:4月2日消息，目前仍處于Alpha階段的zkSync Era僅用了一周時間就成為活躍度第二高的L2，僅次于Arbitrum One。

據l2beat數據顯示，zkSync Era過去一天的TPS為4.02，而Immutable X為3.21、Optimism為2.50，歷史數據顯示zkSync Ear鏈上最高單日TPS發生在3月23日，當日該指標值為31.64。此外，當前zkSync Ear鏈上總鎖倉量已達到9612萬美元。[2023/4/2 13:40:26]

zkEVM則可以理解為將EVM作為智能合約引擎運行在ZK Rollup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、Polygon Hermez2.0、Scroll等頭部的通用ZK Rollup項目都已經先后推出了zkEVM測試網，StarkNet則已經進入到了Alpha Mainnet階段。

當前的ZK Rollups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ZK Rollup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ZK Rollup分為4類：

Matter Labs發布zkSync 2.0主網第一階段Baby Alpha:10月29日消息，Matter Labs已發布zkSync 2.0主網第一階段Baby Alpha。該階段第一個月，網絡將在沒有任何外部應用程序開放使用的情況下運行，任何外部參與者也無法使用。該團隊解釋說，初始階段僅用于壓力測試和安全工作。

第一階段完成后，下一階段為Fair Onboarding Alpha，開發人員能夠移植到zkSync并開始在網絡上構建。超過100個項目表示有興趣在zkSync 2.0上部署其應用程序，包括Uniswap。Full Launch Alpha階段將是網絡對所有人完全開放的時候，預計將在今年年底發生。

此外，根據其路線圖，計劃在2023年Q1及以后的時間里改善開發者和用戶體驗；2023年將對zkSync 2.0協議進行去中心化。（The Block）[2022/10/29 11:55:27]

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。

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（包括所有交易執行、智能合約和賬戶邏輯，不包括信標鏈共識邏輯）。

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（例如：Ethereum Execution Clients、Block Explorers、Block Production等）；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。

去中心化存儲網絡Storj集成zkSync擴容方案:3月17日，去中心化存儲網絡 Storj （STORJ）宣布集成 zkSync 擴容方案，允許節點運營商能夠以更低的費用接收付款。[2021/3/17 18:51:58]

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（在生成證明方面，需要較長時間）。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-SNARK ASIC來實現硬件加速。

目前，主要有兩個團隊在嘗試探索Type-1 ZK-EVM，一個是Privacy and Scaling Explorations team，一個是Taiko。

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zkEVM Rollup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。

動態 | zkSNARK合約“輸入假名”漏洞致眾多混幣項目爆雷:據安比實驗室消息，大量零知識證明項目由于錯誤地使用了某個zkSNARKs合約庫，引入“輸入假名 (Input Aliasing) ”漏洞，可導致偽造證明、雙花、重放等攻擊行為發生，且攻擊成本極低。眾多以太坊社區開源項目受影響，其中包括三大最常用的zkSNARKs零知開發庫snarkjs、ethsnarks、ZoKrates，以及近期大熱的三個混幣（匿名轉賬）應用hopper、Heiswap、Miximus。 事實上，所有使用了該zkSNARKs 密碼學合約庫的項目都應該立即開展自查，評估是否受影響。修復很簡單。僅需在驗證函數中添加對輸入參數大小的校驗，強制要求input值小于上面提到的q值。即嚴禁“輸入假名”，杜絕使用多個數表示同一個點。 所幸的是，目前常見的zkSNARKs合約庫都火速進行了更新，從底層庫層面杜絕“輸入假名”。安比（SECBIT）實驗室認為，底層庫的更新誠然能夠很大程度上消除掉后續使用者的安全隱患，但若該問題的嚴重性沒有得到廣泛地宣傳和傳播，依舊會有開發者不幸使用到錯誤版本的代碼，或者是根據錯誤的教程進行開發，從而埋下安全隱患。[2019/7/29]

通過刪除部分不必要的和ZK不友好的以太坊堆棧，Type-2 zkEVM的證明時間比Type-1 zkEVM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（比如：預編譯），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Polygon Hermez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（Solidity、Vyper）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EVM bytecode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。

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ZK Rollup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ZK Rollup，也可以用于驗證以太坊鏈本身（未來以太坊會對ZK-SNARK更加友好）。

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Ethereum L1。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Modular Blockchain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ZK Rollup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ZK Rollup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ZK Rollup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ZK Rollup采用的較低成本的數據可用性模式。

總而言之，每種ZK Rollup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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