以太坊:ZK-EVM 和以太坊第 1 層驗證的未來：挑戰和解決方案_ARK

?通過其多客戶端理念和即將到來的向ZK-EVM的過渡，了解以太坊的安全性和去中心化。在這篇內容豐富的文章中了解更多信息。

公眾呺：Web3團子

介紹

以太坊作為區塊鏈網絡的概述

以太坊是世界上最受歡迎的區塊鏈網絡之一，以其智能合約功能和去中心化應用程序(dApps)而聞名。以太坊維護其安全性和去中心化的方式之一是通過其多客戶端理念。

與其他區塊鏈網絡不同，以太坊沒有每個人都默認運行的默認“參考客戶端”。相反，有一個協作管理的規范，用人類可讀性強但速度非常慢的Python語言編寫，多個團隊實現規范，稱為“客戶端”，這是用戶實際運行的。

以太坊多客戶端理念詳解

每個以太坊節點運行一個共識客戶端和一個執行客戶端。目前，沒有共識或執行客戶端占網絡的2/3以上。這意味著如果在其類別中份額低于1/3的客戶端出現錯誤，網絡將照常運行。如果在其類別中擁有1/3到2/3份額的客戶有錯誤，鏈將繼續添加塊，但它會停止敲定塊，從而為開發人員提供時間進行干預。

ZK-EVM概述

V神：以太坊不需要為Layer 1使用單一的ZK-EVM實現進行標準化:金色財經報道，以太坊創始人Vitalik Buterin發文解釋了“不同類型的ZK-EVM和類似ZK-EVM的項目，以及它們之間的權衡”。V神例舉了描述了多個EVM等價的不同“類型”的分類，以及嘗試實現每種類型的好處和成本。

V神總結稱，就我個人而言，我希望隨著時間的推移，通過ZK-EVM的改進和以太坊本身的改進相結合，使其對ZK-SNARK更加友好，一切都將成為Type1。在這樣的未來，我們將有多個ZK-EVM實現，它們既可以用于ZK匯總，也可以用于驗證以太坊鏈本身。

從理論上講，以太坊不需要為Layer1使用單一的ZK-EVM實現進行標準化；不同的客戶可以使用不同的證明，因此我們繼續從代碼冗余中受益。但是，要實現這樣的未來，還需要相當長的時間。與此同時，我們將在擴展以太坊和基于以太坊的ZK-rollup的不同路徑中看到許多創新。[2022/8/4 12:02:16]

以太坊鏈驗證方式即將發生的一個重大轉變是ZK-EVM的興起。證明EVM執行的SNARK已經開發多年，該技術正被稱為ZK匯總的第2層協議積極使用。這些ZK匯總今天在主網上很活躍，很快就會有更多。從長遠來看，ZK-EVM不僅僅用于匯總；它們也將用于驗證第1層的執行情況。一旦發生這種情況，ZK-EVM實際上成為第三種類型的以太坊客戶端，對網絡安全的重要性與當今的執行客戶端和共識客戶端一樣重要。

Cardano推出首個ZK-Rollups擴容解決方案Orbis:2月25日消息，Cardano（ADA）推出首個 ZK-Rollup Layer 2 解決方案 Orbis，旨在通過提升可擴展性和交易吞吐量支持 DeFi 應用程序和區塊鏈生態系統，交易會在 Orbis Layer 2 鏈下執行并形成一個零知識證明，然后提交給 Cardano Layer 1。

Orbis 有兩個主要組件：證明者（Prover）和驗證者（Verifier），前者目的是構建 zkSNARK 證明來驗證交易的發生，后者是一個鏈上智能合約，接受鏈上資產輸入，將它們鎖定在合約中，以便它們可以在 Rollup 中使用并確保不會出現雙花風險。據了解，Orbis 團隊已經在 Project Catalyst 的 Ideascale 平臺上發布了資金申請，希望申請 100 萬美元資金來支持開發和上線工作。[2022/2/25 10:16:05]

然而，這種轉變引發了一些有趣的問題，即ZK-EVM將如何與多客戶端理念交互。困難的部分之一已經完成：正在積極開發多個ZK-EVM實現。但其他困難的部分仍然存在：我們如何真正為ZK證明以太坊區塊的正確性創建一個“多客戶端”生態系統？這個問題提出了一些有趣的技術挑戰——當然，還有一個迫在眉睫的問題，即權衡是否值得。

V神：ERC20項目應積極研究ZK-Rollup L2擴容解決方案:金色財經報道，Education Ecosystem今日發推稱，過去幾周，以太坊gas價格高昂，每筆交易價格為0.40至0.88美元，這使得ERC20項目無法在以太坊上進行任何微交易支付，這挫敗了使用以太坊網絡進行支付的想法。對此，以太坊創始人V神表示，ERC20項目應該積極研究ZK-Rollup L2擴容解決方案，這些解決方案目前已在主網上運行。[2020/7/10]

未來ZK-EVM將如何進入第1層？

ZK-EVM解釋

ZK-EVM，或零知識以太坊虛擬機，用于匯總以通過使昂貴的EVM執行僅在鏈外發生幾次來增加擴展性。其他人只需驗證鏈上發布的SNARK，以證明EVM執行計算正確。

這也允許一些數據，特別是簽名，不包含在鏈上，從而節省gas成本。將可擴展計算與ZK-EVM以及可擴展數據與數據可用性采樣相結合，可能會帶來顯著的擴展優勢。然而，以太坊網絡在驗證第1層時面臨困難，因為在第1層運行自己節點的用戶并不多。相反，大多數用戶信任第三方提供商。Helios和Succinct等輕客戶端正在采取措施解決這個問題。然而，輕客戶端遠非完全驗證節點，不驗證鏈是否遵循協議規則。需要一種不同的解決方案來將我們帶到一個用戶可以驗證鏈是否遵守規則的世界。

動態 | 報告：以太坊可通過ZK-Rollup達到Visa的TPS:據U.today消息，以太坊基金會合作初創公司Iden3發布了有關ZK-Rollup功能如何提高以太坊網絡速度的報告。報告指出，大規模采用時低吞吐量被認為是最嚴重的瓶頸，而ZK-Rollup功能將允許在每個以太坊區塊中驗證更多交易。Visa網絡目前平均為2000 TPS，以太坊目前支持大約30 TPS，但是隨著ZK-Rollup的實施，這個數字可能會激增6300％。因此，這一突破并非完全不可能。[2019/12/15]

選項1：收縮第1層

以太坊網絡的多客戶端理念對其安全性和去中心化至關重要。ZK-EVM的興起是網絡即將到來的重大轉變。以太坊的擴展方法可能是將第1層每個區塊的gas目標減少到100萬，這可能會迫使幾乎所有用戶活動轉移到第2層協議。在這種情況下，第1層的唯一功能是成為第2層協議的票據交換所，驗證它們的證據并偶爾促進它們之間的大筆資金轉移。

這種設計仍然可以支持在每個塊中提交的許多匯總。我們可以使用由自定義構建器運行的鏈下聚合協議，將來自多個第2層協議的SNARK聚集在一起，并將它們組合成一個SNARK。SNARK驗證第1層有一個重要的好處：它可以大大增加EVM執行的數量。這可以通過大幅提高第1層氣體限制、引入enshrinedrollup或兩者兼而有之。

以色列理工學院所研究的區塊鏈隱私解決方案 ZK-Starks正在變成現實:5月26日，據Coindesk報道，以色列理工學院發明的區塊鏈隱私解決方案ZK-Starks受到許多開發者稱贊。所謂的zk-starks提供了一種有希望將大量信息壓縮成小樣本的方式，命名為starks，并可以使用零知識證明來保護該信息的隱私。Starks對于量子計算也是高效，透明和安全的，Starks團隊稱之為“令牌技術模型”.創始人Eli Ben-Sasson和Alessandro Chiesa正在走企業路線，希望將他們的新技術提供給實際區塊鏈以換取其原生資產。許多社區的倡導者對這項技術發表了積極的評論，其中包括以太坊創始人Vitalik，他曾暗示這種系統可以部署在“以太坊3.0”之上。Ben-Sasson稱：“我們的技術是獨一無二的，因為它是目前唯一一個允許真正指數級加速驗證的計算系統，無需設置假設，也無需事先分配任何密鑰。”[2018/5/27]

挑戰

隨著以太坊不斷發展壯大，在使用ZK-SNARK驗證網絡的第1層時，需要考慮幾個挑戰。雖然這種方法可能會帶來很多好處，但也有很多障礙需要克服。

ZK-SNARK驗證的主要挑戰之一是向后不兼容的可能性。如果實施這種方法，許多現有的基于L1的應用程序在經濟上可能變得不可行。隨著費用變得如此之高以至于超過清空這些賬戶的成本，用戶資金可能會陷入困境。雖然用戶可能會簽署消息以選擇加入到他們選擇的L2的協議內大規模遷移，但這會增加過渡的復雜性。讓它足夠便宜將需要在第1層使用一些SNARK，這可能很困難。

另一個挑戰是驗證是否可以針對不同的設備變得足夠便宜。理想情況下，以太坊協議應該不僅在筆記本電腦上而且在手機、瀏覽器擴展程序甚至其他鏈中都應該易于驗證。第一次同步鏈，或者長時間離線后，應該也很容易。雖然筆記本電腦節點可以在大約20毫秒內驗證100萬氣體，但離線一天后同步可能需要長達54秒。為手機或瀏覽器擴展驗證每塊幾百毫秒可能仍然是一個不可忽略的電池消耗。這些數字是可控的，但并不理想。

好處

盡管存在這些挑戰，但即使在L2優先的生態系統中，讓L1在某種程度上負擔得起也是有好處的。如果用戶在注意到新的狀態數據不再可用時可以提取資金，Validiums可以從更強大的安全模型中受益。如果經濟上可行的跨L2直接轉移的最小規模較小，套利將變得更加有效，尤其是對于較小的代幣。

鑒于這些挑戰，找到一種使用ZK-SNARKs來驗證第1層本身的方法可能更合理。這種方法可能行得通，但仍有重大障礙需要克服。主要挑戰之一是向后不兼容的可能性。盡管如此，仍有一些潛在的解決方案，例如允許用戶簽署消息以選擇加入到他們選擇的L2的協議內大規模遷移。此外，在不同設備上快速有效地驗證鏈仍然具有挑戰性。然而，通過解決這些挑戰，有可能釋放ZK-SNARK驗證可以提供的許多好處，同時仍然保持以太坊網絡的安全性和效率。

選項2：SNARK-verifylayer1

一個提議的解決方案是SNARK驗證第1層，這將涉及使用類型1ZK-EVM來驗證以太坊塊的EVM執行。這將是一個具有挑戰性的工程問題，因為ZK-EVM需要幾分鐘到幾小時來驗證以太坊區塊，并且實時生成證明需要一個或多個改進以太坊本身以刪除對SNARK不友好的組件，要么通過專用硬件大幅提高效率，要么(iii)通過更多并行化改進架構。然而，沒有根本的技術原因不能做到這一點——因此預計即使需要很多年也能完成。

SNARK驗證第1層有三個選項，每個選項都有自己的一組挑戰。

第一種選擇是使用單個ZK-EVM來驗證塊，這將放棄多客戶端范例。

第二種選擇是就一組特定的多個ZK-EVM達成一致，并制定共識層協議規則，即一個區塊需要來自該組中超過一半的ZK-EVM的證明才能被視為有效，這將關閉開發新客戶并導致更集中的生態系統的可能性。

目前，第三種也是最可行的選擇是讓不同的客戶端使用不同的ZK-EVM實現。這將保持多客戶端范例的優勢，但它有其自身的一系列挑戰。

挑戰

實施第三種選擇不會太困難。每個類型的證明都可以有一個p2p子網，使用一種類型證明的客戶端將監聽相應的子網絡，并等待他們收到驗證者認為有效的證明。但是，此選項的兩個主要挑戰可能如下：延遲挑戰和數據效率低下。

在設計單時隙最終協議時要小心，可以解決延遲挑戰。單時隙最終協議可能需要每個時隙超過兩輪的共識，因此可能需要第一輪包含區塊，并且只需要節點在第三輪簽署之前驗證證明。這確保了在發布區塊的截止日期和預計提供證明的時間之間始終有一個重要的時間窗口可用。

數據效率問題必須通過單獨的協議來匯總與驗證相關的數據來解決。對于簽名，我們可以使用ERC-4337已經支持的BLS聚合。另一類與驗證相關的重要數據是用于隱私的ZK-SNARKs。幸運的是，這些通常都有自己的聚合協議。

好處

SNARK驗證第1層有一個重要的好處：它可以大大增加EVM執行的數量。這可以通過大幅提高第1層氣體限制、引入enshrinedrollup或兩者兼而有之。通過使鏈上EVM執行不再需要由每個節點驗證，可以增加EVM執行的數量。

盡管SNARK驗證第1層有潛在的好處，但仍有幾個挑戰需要考慮。雖然ZK-EVM的實施可以實現可擴展的計算和數據采樣，但仍然需要解決向后兼容性和設備驗證問題。可用于SNARK驗證第1層的三個選項都有其自身的一系列挑戰，但第三個選項目前似乎是最可行的。實施此選項不會太困難，但它有其自身的一系列挑戰，例如延遲挑戰和數據效率低下。然而，通過解決這些挑戰，有可能釋放SNARK驗證層1可以提供的許多好處，同時保持以太坊網絡的安全性和效率。

結論

以太坊的多客戶端理念對其安全性和去中心化至關重要，而ZK-EVM的興起將成為網絡即將到來的重大轉變。盡管仍有技術挑戰需要克服，但多個ZK-EVM實施的開發是網絡未來的一個有希望的跡象。隨著網絡的不斷發展和演變，找到使用ZK-SNARKs驗證第1層的方法，同時解決向后兼容性和設備驗證的挑戰將非常重要。通過這樣做，有可能釋放ZK-SNARK驗證可以提供的許多好處，同時保持以太坊網絡的安全性和效率。

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