以太坊:zkSync2.0主網上線之際淺析各類zkEVM_TYPE

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。

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；

以太坊擴容方案zkSync將通過OKEx實現法幣出入金通道:11月11日消息，以太坊擴容方案zkSync開發團隊Matter Labs宣布與OKEx達成合作關系，雙方的第一個合作目標是在OKEx上支持直接向zkSync的二層網絡提供法定貨幣的提現和充值功能。zkSync表示此次集成正在進行中，后續OKEx還會提供更多在zkSync上的業務。（Medium）[2021/11/11 6:46:17]

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。

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。

ZKSwap公布新產品L2.Cash細節:Layer 2去中心化交易所ZKSwap分享了新產品L2.Cash的細節。該產品可以免費使用，因為ZKSwap的所有Layer 2交易100%免費，用戶僅為向Layer 1的存取款支付費用。L2.Cash應被稱為零售交易的支付協議，因其是L2 Labs為零售用戶和商家開發的第一個“開箱即用”的解決方案。由于zk-proof基礎設施允許極低的交易延遲和L1/L2狀態的完全一致性，L2.Cash可實現幾乎即時的交易，確保所有ERC-20代幣最大可達到1000 Tx/s的處理效率，同時聲稱擁有高效的空投功能：所有基于以太坊的代幣都可以通過其工具免費分發，并可每秒鐘向10個用戶空投代幣。此外，L2 Labs團隊正在積極研究zk-rollups技術與EVM連接的可能性。在完成部署后，該工具將允許ZKSwap擴展到所有與EVM兼容的區塊鏈。（U.Today）[2021/8/18 22:21:31]

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。

Layer2 DEX ZKSwap V2版本將于48小時內上線:基于以太坊的Layer2去中心化交易所ZKSwap在推特上表示，將于48小時內推出V2版本。[2021/7/26 1:16:46]

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

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。

聚幣Jubi今日首發上線ZKS 開盤最高漲幅達195.36%:聚幣Jubi已于2021年1月6日15：00（UTC+8)首發上線ZKS/USDT，開盤最高漲幅達195.36%。開盤價0.12302USDT，最高價0.36336USDT。ZKS進入聚幣24小時漲幅榜。

ZKSwap 是一套基于自動化做市商（AMM，Automated Market Maker）的代幣 Swap 協議。通過 ZK-Rollup 技術在 Layer-2 實現了 uniswap 的全套功能，同時提供無限可擴展性和隱私性。ZKSwap 為流動性提供者和交易者提供超高吞吐量的 Swap 基礎設施，且交易無需任何 Gas 費用。[2021/1/6 16:34:33]

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。

以太坊擴容項目 Matter Labs 為 Curve 推出首個 zkSync 二層智能合約測試網:以太坊擴容項目 Matter Labs 為穩定幣兌換平臺 Curve 推出首個 zkSync 二層智能合約測試網「Zinc Alef」。Matter Labs 現已引入 Zinc 編程語言和對 SNARK 友好的 Zinc VM （虛擬機），并為以太坊實施了遞歸 PLONK 證明驗證。目前，必須使用 Zinc 編程語言來編寫 Zinc VM 智能合約。zkSync 二層網絡中的所有合約都將能夠以與以太坊主網上完全相同的方式互相調用。目前，測試網功能齊全，用戶可編寫智能合約并將其部署至測試網，然后對此進行本地測試，并生成智能合約執行的零知識證明。每筆交易都將導致 zkSync 測試網上的真實代幣發生轉移，也會反映至區塊瀏覽器和錢包中。不過，Zinc VM 尚未集成至 zkSync core 中，Zinc 編程語言中的一些重要功能也可能會丟失。Matter Labs 將根據社區的要求優先開發該功能。另外，Matter Labs 正在與其他團隊合作開發通用的以太坊二層簽名標準，這將提升圍繞二層合約進行交互的用戶體驗。此前報道，今年 6 月份，Matter Labs 在以太坊主網部署了 Layer 2 擴展工具 zkSync。[2020/10/10]

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。

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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