以太坊:zkEVM 方案一覽：簡析zkSync、StarkNet、Polygon zkEVM、Scroll_zkSync

ZKRollups，也稱為有效性Rollups，是一種革命性的以太坊擴展方式，它允許交易在鏈下進行處理，并在主鏈上以單個壓縮交易的形式合并。這個過程增加了交易吞吐量，降低了費用，同時保持了主鏈的安全性和去中心化。

使用零知識證明是ZKRollups的突出特點之一，這種密碼學證明類型使得證明者能夠向驗證者證明一個陳述是正確的，而不泄露任何額外的信息。

對于ZKRollups，ZKP確保鏈下交易的完整性，使證明者能夠證明交易批次的有效性，而無需透露交易的具體細節，也無需要求驗證者在接受新狀態之前檢查所有交易。

與OptimisticRollups相比，ZKRollups提供了更高級別的安全性，因為它們沒有在以太坊之上引入其他信任假設，并依靠以太坊和數學來保證安全性。OptimisticRollups依賴于博弈論和1/n誠實節點假設，這意味著對于每個交易批次，總會有至少一個誠實節點可以挑戰惡意交易。

另一方面，ZKRollups的操作者，也稱為序列器和證明者，沒有任何機會危害用戶的資金，因為他們的角色“僅僅”是收集交易批次并生成ZK證明，而用戶的資金仍留存在以太坊L1上，以太坊最終負責驗證L2提交的ZK證明并完成底層交易。

有效性證明是通過對狀態數據進行復雜的多項式計算來生成的。如果狀態數據無效，則無法生成有效性證明。L1上的驗證者將輸入狀態數據來驗證有效性證明，因此如果證明者更改了狀態數據，則驗證者將不接受該證明。

與OptimisticRollups相比，ZKRollups還有兩個優點：更快的最終性和更高效的數據可用性。

首先，它們使得最終性更快。因為只要提供有效性證明，交易就在以太坊上被確認；而OptimisticRollups需要等待一個星期確保沒有挑戰，因此才認為交易是合法和最終的。

其次，與數據可用性相關，ZKRollups更加高效。因為只需要發布狀態差異即可，因為無需重建所有交易以進行驗證，相反，OptimisticRollups需要發布完整數據，以便任何人都可以重建交易并最終挑戰它們。

Immutable zkEVM測試網已正式上線:8月15日消息，以太坊NFT二層擴容方案Immutable X開發公司Immutable宣布其Immutable zkEVM測試網已正式上線，現有的智能合約和Solidity代碼可以免費直接遷移到Immutable的zkEVM測試網環境中。[2023/8/15 21:23:44]

因此，ZKRollups在以太坊上使用的數據帶寬更少，使用戶甚至可以獲得更便宜的費用。

Zk-rollups被認為是以太坊可擴展性的終極解決方案，但由于以太坊虛擬機不設計支持ZK電路，實現它們是困難的。為了解決這個問題，許多組織和研究人員嘗試創建一個名為zkEVM的Rollup支持虛擬機，它可以以與零知識證明計算兼容的方式運行智能合約。

Vitalik提出的四種zkEVM分類

Vitalik在他的博客文章中概述了四種基于與以太坊兼容性的zkEVM類型。

需要注意的是：

zkEVM越接近以太坊的功能，生成Zk證明的速度就越慢，成本就越高。

另一方面，如果一個區塊鏈或Rollup更符合以太坊的規范和標準，那么開發人員就更容易在其上構建應用程序并集成到以太坊生態系統中。

總之，與以太坊高度兼容的區塊鏈可能具有競爭優勢。

第一類：完全等同于以太坊的zkrollups，在所有部分中精確地復制以太坊。到目前為止，還沒有任何zkEVM能夠實現與以太坊的等效性。

第二類：完全等同于EVM的Zkrollups力求與EVM等效，但并非完全等效于以太坊。它們與現有應用程序完全兼容，但對以太坊進行了一些微小修改，以使開發更容易，并且可以更快地生成證明。Scroll和zkEVMPolygon在理論上屬于此類；在實踐中，它們目前屬于第三組。

第三類：幾乎等同于EVM，為了使證明生成更快，犧牲了更多元素和等效性。PolygonzkEVM和Scroll目前屬于此類。這個類別通常是進入第二類的跳板。

第四類：高級語言等效，意味著它們都接受用Solidity編寫的智能合約，然后將其轉換為另一種自定義的、適用于zk的語言。zkSync和StarkNet屬于這個類別，盡管zkSync可能會隨著時間推移添加對EVM字節碼的兼容性，并最終向更高的類型轉移。

Polygon zkEVM過去24小時跨鏈用戶量超2500人:金色財經報道，據DuneAnalytics數據，Polygon zkEVM上線近24小時以來，已有超過2,500名用戶完成超過2,700筆、88萬美元的跨鏈交易量，當前Polygon TVL約88.4萬美元。[2023/3/28 13:31:28]

雖然Vitalik提出的分類目前是最流行和最公正的，但也有其他分類方法。

Immutable提出的四種分類

Immutable，這個基于StarkWare并專門針對NFT的L2，在其一篇博客文章中提供了以下有用的分類：

這些類別與Vitalik的分類相比，更清晰地基于現有zkEVM在堆棧的特定級別上達到其與以太坊的兼容性或等同性。

Solidity兼容。與以太坊的兼容性是在高級語言級別Solidity上實現的，這意味著開發人員可以繼續使用他們在以太坊上習慣使用的語言編寫智能合約。然而，這些Rollup立即將Solidity轉換為它們的中間表示形式，然后在它們的字節碼中編譯，并在它們的自定義環境中執行。具體來說，這些L2使用轉譯器將Solidity代碼轉換為自定義VM的可讀代碼。這些轉譯器不支持某些Solidity功能，因此開發人員可能需要調整他們的智能合約。例如：zkSync和StarkNet。

EVM兼容。從語言層面上看，這些Rollup與EVM兼容，但它們擁有自己的字節碼，這意味著Solidity可以直接編譯成EVM操作碼/字節碼，然后在自定義VM運行時之前轉換為自定義字節碼。實際上，這些Rollup與大多數以太坊程序兼容，但某些應用程序可能需要進行重寫。此外，一些字節碼功能不受支持。例如：PolygonzkEVM。

等效于EVM。這些Rollup創建了一個zk驗證電路，可以直接讀取EVM操作碼和字節碼，盡管VM本身與EVM不同。這些Rollup完全兼容現有應用程序，但可以對以太坊進行一些微小修改，以使開發更容易，并使證明生成更快。例如：Scroll。

Orbiter Finance已集成Polygon zkEVM網絡:3月28日消息，Layer 2跨Rollup橋Orbiter Finance宣布已集成Polygon zkEVM網絡，允許用戶在Polygon zkEVM與支持的其他網絡間跨鏈轉移資產。[2023/3/28 13:31:18]

等效于以太坊。這意味著在所有組成部分上復制以太坊，類似于Polygon所做的方式。到目前為止，沒有任何zkRollup屬于此類別。

將此框架與Immutable提出的框架相結合，并添加一些其他信息，可以概述以下圖表，在沒有任何性能數據可用之前，突出考慮在比較不同的zkEVM實現時要考慮的一些設計差異和相似之處：

zkSync2.0

zkSync2.0是以太坊網絡的擴展解決方案，與Solidity編程語言完全兼容。使用zkSync，用戶可以選擇兩種數據可用性類型：zkSyncRollup和zkSyncPorter。前者將數據直接發布在以太坊上，使其與以太坊L1一樣安全，而后者將數據存儲在鏈下，導致交易速度更快、成本更低，但安全級別較低。

zkSync是EVM兼容的，因為它可以將用Solidity編寫的智能合約代碼轉換為Yul，并將Yul轉換為LLVM-IR，然后將其重新編譯為專門設計用于zkSync的EVM的自定義電路兼容字節碼集。雖然這需要中間步驟，但也允許添加其他非EVM功能，例如AccountAbstraction。此外，zkSync的公司MatterLabs計劃逐步使其更具有Ethereum工具包的兼容性，并準備在可擴展性和互操作性領域推出其第一個三層原型zkSyncOpportunity，并作為其雄心壯志的一部分在測試網上發布。

在撰寫本文時，zkSyncEra剛剛推出，因此對其表現作出評論還為時過早。只支持簡單交易的zkSync1.0是最大的zkrollup之一，據TVL統計，已鎖定超過8300萬美元，累計交易量超過1900萬筆，而StarkNet的TVL僅超過1900萬美元，累計交易量為400萬筆。

V神在Polygon zkEVM主網完成了其第一筆交易:金色財經報道，據Polygon Labs開發工程師steph.polygon在社交媒體透露，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin已在Polygon zkEVM主網上完成了其第一筆交易，交易哈希：0x18db0b46e46777b5b369460be229b0704abe7d24bf88dbfee99054c43b0c121c，交易額為0.005 ETH，交易費0.0003367104 ETH，gas費用0.0000000152 ETH。[2023/3/27 13:29:22]

StarkNet

StarkNet是一種類型4/Solidity兼容的zk-rollup，它采用了一種不同類型的零知識證明，稱為STARKs(ScalableTransparentARgumentofKnowledge)，以確保鏈下交易的完整性。STARKs被認為比SNARK更有效和可擴展，但可能需要更復雜的技術設置。

雖然StarkNet也支持智能合約，但由于使用STARKs，以及StarkNet合約和StarkNetOS是用Cairo語言編寫的，所以它的能力相對較小。為了使開發更容易，StarkWare最近升級到了Cairo1.0，該版本模擬Rust。與zkSyncEra一樣，可以將StarkNet歸類為“Solidity兼容”，因為它不會在EVM內執行程序，而是創建一個全新的、專門設計的VM，并使用自定義字節碼。StarkWare使用Warp轉譯器將Solidity代碼轉換為CairoVM字節碼。

然而，與zkSyncEra和其他zkEVM實現不同，StarkNet團隊的目標不是與EVM或其他以太坊組件兼容，而是旨在通過滾動其自定義客戶端API、JavaScript庫和錢包系統使StarkNet的VM盡可能高效，這將迫使與以太坊兼容的工具手動添加StarkNet支持。盡管Cairo1.0還引入了Sierra——安全中間表示——作為Cairo1.0和Cairobytecode之間的新中間表示層，但Warp轉譯器不支持某些Solidity功能，并且離匹配zkSyncEra的EVM兼容性還有很長的路要走。

Reddio創始人兼CEO：不認為zkEVM重要:金色財經現場報道，在Coinlive舉辦的峰會上，Reddio的創始人兼首席執行官Neil Han以“2022年及以后的Layer 2生態”為主題發表了演講。他說第1層以太坊的問題是擴容，并比較了Layer2主要生態StarkNet, zkSync和Scroll。三難困境包括性能、可組合性和去中心化。他表示，他不認為layer2要為了兼容zvm而犧牲性能。他最后介紹了Reddio如何幫助Web2開發者幾分鐘就可以集成Layer2，即便是不兼容evm的layer2。[2022/12/22 22:01:21]

PolygonzkEVM

PolygonzkEVM是一種zk-rollup，它使用自定義語言zkASM來解釋zkEVM代碼，并在非EVM運行時環境中驗證智能合約的執行。該項目始于2021年，通過以2.5億美元收購HermezNetwork開始開發一個結合了STARK和SNARK的安全性和效率的EVM等效系統。雖然STARK用于為交易狀態生成有效性證明，但SNARK用于評估STARK證明的正確性。這些解決方案的組合可以實現安全性、速度和低交易費用。

2022年7月，Polygon宣布將PolygonHermez改名為PolygonzkEVM，在撰寫本文時剛剛推出。PolygonzkEVM的最新測試網版本引入了遞歸功能，允許使用一個ZK有效性證明來驗證其他ZK證明的批次，其中每個證明都可以驗證多個交易。這一功能得益于Plonky2，一種遞歸SNARK，比現有替代品快100倍，并與以太坊本身原生兼容。

除了PolygonzkEVM，Polygon還開發了PolygonAvail，這是一個僅優化數據可用性的區塊鏈。該網絡將是無需許可的，允許任何人加入作為驗證器，與現有的DAC不同，它將有數百個節點協作提供網絡安全。Avail將與PolygonHermez配對工作，從Hermez上傳狀態數據而不是在以太坊上發布，提供Validium和Rollup之間的解決方案。

盡管一些專家指出，Polygon提供的規格說明更適合描述為EVM兼容性，但該團隊正在努力創建第一個完全等效于EVM的解決方案。

Scroll

Scroll是由Scroll團隊與以太坊基金會的PSE小組合作開發的EVM等效zk-rollup，目前處于Pre-Alpha測試網階段，旨在在字節碼級別上與以太坊虛擬機完全兼容。這意味著開發人員可以使用任何兼容EVM的語言創建智能合約并部署到Scroll上。盡管Scroll目前不支持EVMopcode，但計劃通過構建1:1opcode映射來實現，并直接接受EVMopcode而無需編譯器。

Scroll的架構包括一個集中式序列化節點和一個分散的證明網絡。集中式序列化節點負責對交易進行排序、創建區塊，并將交易數據作為calldata提交到以太坊上的Rollup合約以供數據可用性。Scroll計劃逐步去中心化序列化節點。另一方面，一個名為Roller的分散式證明生成器會產生證明并將其發布到L1網絡上，利用分布式計算能力。Rollers是隨機選擇的，可以在不同的Rollers上并行生成不同塊的多個證明以增加速度。

*注：雖然目前僅支持鏈上數據可用性，但Scroll的原始設計也包括Validium模式。

確實，Scroll和Polygon都采用了字節碼級別的方法來構建它們的zkEVM。這種方法完全消除了轉譯步驟，這意味著在編譯和解釋之前，這些zkEVM不會將Solidity代碼轉換為其他語言。然而，雖然Scroll與以太坊唯一的區別在于運行時環境，但Polygon創建了一個自定義VM并進行了優化，然后將EVM字節碼轉換為該VM的字節碼。與Scroll不同的是，Polygon的運行時運行定制的“zkASM”操作碼，而不是EVM操作碼，以優化EVM解釋。PolygonzkEVM可能不會與100％的Solidity代碼、工具和應用程序兼容，盡管大部分都可以。

雖然這些是專注于推出通用zkEVM實現的最顯著項目，但其他特定應用項目也在實踐中使用zk技術。

Looping是一種特定應用的zk-rollup，用于支持去中心化交易所協議。Loopring也是一個使用zk證明讓任何人構建dex的平臺。ImmutableX是另一個基于StarkWare構建的特定應用的zk-rollup，用于NFT交易和游戲。Aztec是一種以隱私為本的基于以太坊的zk-rollup，它通過加密數據來保持數據對協議的透明度和可用性，同時保護用戶的隱私。此外，Aztec還發明了PLONK證明系統，也被zkSync和其他項目使用。

ImmutableX、Sorare、rhino.fi、ApeX、dYdX等多個協議都是基于StarkEx構建的。在使用StarkExZK-Rollup的項目中，數據作為calldata發送到以太坊并發布在鏈上。在Validium模式下，數據存儲在鏈下，只有哈希值存儲在鏈上。雖然Rollup模式確保更高的安全性，但Validium模式可以確保更低的成本和更高的隱私。

總體而言，盡管zkSyncLite是最大的zkrollup，StarkWare擁有最大的生態系統，包括在StarkEx上構建的項目，它的TVL和市場份額也最大。

總結

總之，zk-rollup是擴展區塊鏈網絡的一種有前途的解決方案，提供各種實現以滿足不同的需求和要求。雖然存在一些分類，但值得注意的是，它們是近似的解釋，缺乏對定義和技術差異的共識。

正如Scroll聯合創始人SandyPeng所承認的：“沒有任何定義能夠得到清晰的共識。「Scroll的整個研究團隊」傾向于某種敘述方式或某種看法，但這并不是一個明確的事情。我們的研究團隊甚至在所有事情的含義上都沒有達成共識。”

盡管如此，在zkrollup實現中出現了一些共同的趨勢：

首先，它們似乎都采用了混合方法來處理數據可用性，提供一個傳統的鏈上數據存儲的rollup版本和一個鏈下數據存儲的validium版本。Avail首席執行官AnuragArjun告訴Blockworks：“在我看來，你會發現每個rollup都會有一個rollup版本和一個validium版本。”

其次，它們大多避免使用純開源代碼，直到它們實際運行，這也與來自像Arbitrum和Optimism這樣的optimisticrollups的激烈競爭有關。Zk-rollups承諾更高效，但技術上更難以實現。

此外，正如上表所清楚的那樣，optimisticrollups尤其是Arbitrum，正在受益于先發優勢，并且在應用程序、交易量和市場份額方面領先市場。如果被證明成功，optimisticrollups可以將有效性證明模型與他們已經建立的用戶基礎相結合。

此外，盡管所有實現開始時都采用了中心化序列器來提高效率，但它們都致力于逐步去中心化，以解決對集權的擔憂。有趣的是，去中心化排序器可能需要一種原生代幣的經濟激勵，因此所有提到的項目都應該采取這個步驟。

最后，過去一年中這些zkEVM實現所取得的驚人成果已經引起了總體上zk技術的新一輪關注，公司專注于各個方面的發展，包括開發新的zk硬件來提高證明生成速度。

盡管仍然存在一些挑戰需要解決，但在僅僅一年多的時間里，zkEVM設計所取得的進展是值得注意的，2023年可能是這項技術決定性的一年。

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