特別感謝PSE、Polygon Hermez、Zksync、Scroll、Matter Labs 和Starkware 團隊的探討與校對。


最近，很多“ZK-EVM”項目很快相繼發出公告。 Polygon 開源了他們的ZK-EVM 的項目，ZKSync 發布了ZKSync 2.0 的計劃，而Scroll 作為相對的新秀，最近也宣布了他們的ZK-EVM 項目。還有Privacy and Scaling Explorations（隱私和擴容探索）團隊、Nicolas Liochon et al 的團隊，以及Nethermind 團隊致力於將EVM 的Solidity 語言轉譯為StarkWare 的ZK 友好語言Cairo 的一個Alpha 編譯器，這些團隊都在為此不斷努力，當然，還有一些項目我沒有例舉出來。


這些項目的核心目標是一致的：利用ZK-SNARK 技術對以太坊類交易的執行生成加密證明，不是讓證明更易於驗證以太坊鏈本身，就是構建（接近）相當於以太坊所提供的一些功能，但比它更具有可擴展性的ZK-rollups。但這些項目之間也有些細微區別，並且他們在實用性和速度之間所做的權衡也有差異。這篇文章將描述不同EVM 等效“類型”的分類學，以及每種類型的優勢和開銷。


概覽（圖表形式）



類型1：完全以太坊等效的ZK-EVM


第一類ZK-EVM 力圖成為完全不妥協的以太坊等效ZK-EVM 。他們不會更改以太坊系統的任何部分來讓它更容易生成證明：不會替換哈希、狀態樹、交易樹、預編譯或是共識中的其他邏輯，不管這些部分多麼次要。


優勢：完美的兼容性


ZK-EVM 的目標在於，能夠像目前以太坊驗證區塊那樣—— 或者至少，驗證執行層上面的區塊（因此，雖然信標鏈的共識邏輯沒有囊括進來，但是所有執行的交易、智能合約和賬戶邏輯都包含在內）。


第一類的ZK-EVM 正是我們最終所需要的，能讓以太坊L1 本身更具有可擴展性。長期來看，在第二類和第三類的ZK-EVM 中試驗得出的對以太坊的修改，可能會被合理引入至以太坊上，但是這種重新架構本身俱有復雜性。


第一類ZK-EVM 對Rollup 來說也是理想的，因為它們讓Rollup 可以重複利用基礎設施。比如，以太坊執行層客戶端可以像原來那樣生成和處理Rollup 的區塊（至少，一旦實現提款功能，它們可以重新使用該功能來支持ETH 存入Rollup），所以區塊瀏覽器、區塊生成等工具可以輕鬆重新使用。


劣勢：證明生成時間慢


以太坊原本的設計並不是ZK 友好的，因此，以太坊協議中的許多部分都需要花費大量的計算來生成ZK 證明。第一類ZK-EVM 旨在完全複製以太坊的環境，因此，它無法緩解這些計算低效性問題。目前，以太坊區塊證明需要花費多個小時才能生成。這可以通過巧妙的工程（如大規模並行生成證明），或從長遠來看，通過ZK-SNARK ASIC 來緩解低效性問題。


誰在構建第一類ZK-EVM？


Privacy and Scaling Explorations 團隊正在努力構建第一類ZK-EVM。


類型2：完全EVM 等效的ZK-EVM


第二類ZK-EVM 力爭成為完全EVM 等效但也不那麼以太坊等效的ZK-EVM。也就是說，“從內部來看”，他們完全就像以太坊一樣，但是在外部與以太坊有一些區別，尤其是區塊結構和狀態樹等數據結構。

它的目標在於，與現有的應用完全兼容，但它會對以太坊做一些較小的修改，讓開發更容易，也讓證明生成得更快。


優勢：在虛擬機層面完全等效


第二類ZK-EVM 會改變存儲著如以太坊狀態的數據結構。幸運的是，因為EVM 本身就不能直接訪問這些數據結構，所以對原本在以太坊上運行的應用程序沒什麼影響，它們仍能在第二類的ZK-EVM rollup 上運行。你可能無法像原來那樣使用以太坊執行層客戶端，但你可以通過一些修改來使用客戶端，並且依舊能使用EVM 調試工具和大部分其他開發者基礎設施。


還存在少數例外情況。當驗證以太坊歷史區塊的默克爾樹證明來驗證歷史交易、收據或狀態的聲明（比如，橋接有時候也會這麼做）時，應用程序出現了不兼容。如果ZK-EVM 用不同的哈希函數來替換Keccak，那就會損壞這些證明。而且，我經常建議不要這樣構建應用程序，因為未來的以太坊更新（如Verkle tree）甚至會影響以太坊上的應用。更好的選擇是以太坊自己添加不會過時的(future-proof) 歷史訪問預編譯。


劣勢：已經改進過了但還是證明時間太慢


第二類ZK-EVM 能比第一類提供更快的證明生成時間，它主要通過移除部分以太坊堆棧，這部分堆棧依賴於具有不必要復雜性和ZK 不友好的加密學。特別是，這些堆棧可能會更改以太坊的Keccak 和基於RPL 的Merkle patricia tree，也許還會更改區塊和收據結構。第二類ZK-EVM 則是會使用不同的哈希函數，如Poseidon。自然而然地，它會修改狀態樹以儲存哈希碼和Keccak，不需要驗證哈希以處理EXTCODEHASH 和EXTCODECOPY 操作碼。


這些修改極大地改善了證明生成的時間，但它們沒有解決所有問題。這類ZK-EVM 繼承了EVM 本身帶來的低效性和ZK 不友好問題，所以像原本那樣基於EVM 生成證明的低效情況依然存在。內存就是最簡單的例子：因為MLOAD 可以讀取任何32 字節，包括“無序的”代碼段（其開頭和結尾都不是32 的倍數）， MLOAD 也不能單純理解為對一段代碼的讀取；確切地說，它可能需要讀取兩個連續的代碼段和執行位操作來結合運行結果。


誰在構建第二類ZK-EVM？


Scroll 的ZK-EVM 項目正在構建第二類ZK-EVM，Polygon Hermez 也是。即使如此，還沒有項目真的成為第二類ZK-EVM；尤其是很多更加複雜的預編譯還沒實現。所以，目前來說，這兩個項目應該說屬於第三類ZK-EVM。


類型2.5：EVM 等效，除了gas 開銷


在最糟糕的情況下，有一種能夠極大地改善證明生成時間慢的方式是，大大提高那些難以在EVM 中生成ZK 證明的執行所花的gas 開銷。這些執行可能涉及預編譯、KECCAK 操作碼，還可能涉及調用合約的特定模式、訪問內存/存儲或是回滾。


更改gas 開銷可能會降低開發者工具的兼容性，損壞一些應用，但總體上，它的風險比“更深入地”變更EVM 來說更少。開發者需要注意，不要消耗超出一個區塊所容納的gas 上限，也永遠都不要用硬編碼gas 數來進行調用（這已經是長期以來對開發者的標準建議了）。


另一種管理資源限制的方式是，只要對每個操作能被調用的次數設定硬限制就好了。這在電路中的實現很簡單，但是對EVM 的安全假設就不太好了。我更願意將這種方法稱作第三類ZK-EVM，而不是類型2.5。


類型3：幾乎是EVM 等效的


第三類ZK-EVM 幾乎是EVM 等效的，但需要對完全等效性做一些犧牲，以進一步改善證明生成時間，並促進EVM 更易於開發。


優勢：易於構建，證明生成時間更快


第三類ZK-EVM 也許會取消一些格外難以在ZK-EVM 實現中實現的功能。預編譯通常會是這類功能中最難實現的；此外，這類ZK-EVM 有時也在處理合約代碼、內存和堆棧方面有些許不同。


劣勢：兼容性更差


第三類ZK-EVM 的目標是與大部分應用程序兼容，它只需要對剩下的應用進行極少的改寫。即使是這樣，也需要對一些應用進行改寫，因為這些應用會使用第三類ZK-EVM 已經取消的預編譯，或是因為它們對邊緣情況有著微妙依賴性，而VM 會以不同的方式處理。


誰來構建第三類ZK-EVM？


Scroll 和Polygon 現在的形式都屬於第三類ZK-EVM，儘管他們預計會隨著時間改善兼容性。 Polygon 的設計很獨特，他們用著自己的內部語言zkASM 驗證ZK，並且他們會使用zkASM 的實現來轉譯ZK-EVM 代碼。雖然其實現細節是這樣的，但我還是願意把它稱為真正的第三類ZK-EVM。它依舊能夠驗證EVM 代碼，只是用著一些不同的內部邏輯罷了。


現在，還沒有ZK-EVM 團隊想要成為第三類ZK-EVM；該類型僅僅是完成預編譯添加這一複雜工作和項目能夠轉為類型2.5 之前的過渡階段。然而，通過添加新的ZK-SNARK 友好的預編譯，為開發者提供證明生成時間短、gas 開銷低的功能，第一類和第二類ZK-EVM 在未來可能會自發成為第三類ZK- EVM。


類型4：高級語言（high-level-language）等效


第四類ZK-EVM 系統的工作原理是，採用高級語言編寫智能合約源碼（如Solidity、Vyper，或一些由兩者編譯而成的中間語言（intermediate）），並將這些源碼編譯為一些明確設計成ZK-SNARK 友好的其他語言。


優勢：極快的證明生成時間


不將EVM 的每個執行步驟的所有環節生成ZK 證明，而是直接開始證明高級語言編寫的代碼，這樣你可以避免掉很多開銷。


在本文，雖然我只用了一句話來描述這種優勢（對比以下兼容性相關的劣勢要點列表來說），但這句話不應該被解讀為價值判斷！從高級語言直接編譯真的可以極大地減少開銷，並通過讓證明過程變得容易而推動去中心化。


劣勢：兼容性更差


一個用Vyper 或Solidity 編寫的“正常”應用程序能夠被編譯出來，並且它“可以運行”，但在很多重要情況下，很多應用會變得不“正常”：


  • 第四類ZK-EVM 的系統中的合約地址與EVM 中的可能不一樣，因為CREATE2 合約地址取決於具體的字節碼。這破壞了依賴於尚未部署的“反事實合約”的應用、ERC-4337 錢包、EIP-2470 單例和許多其他應用程序。

  • 手動編寫的EVM 字節碼更難投入使用。很多應用程序為了效率，會使用手動編寫部分EVM 字節碼。儘管有很多種方式可以實現對這類有限制的EVM 字節碼的支持，可以在無需完全成為第三類ZK-EVM 的情況下將這些用例應用起來，但第四類ZK-EVM 的系統可能不會支持這種手動編寫的字節碼。

  • 很多調試基礎設施無法繼續生存，因為這種基礎設施都基於EVM 字節碼運行。儘管如此，但我們可以通過“傳統”高級語言或中間語言更輕鬆地訪問調試基礎設施，以減輕這種劣勢（比如LLVM）。


開發者應該留心這些問題。


誰在構建第四類ZK-EVM？


ZKSync 系統就是第四類ZK-EVM，雖然它可能會隨著時間提高EVM 字節碼的兼容性。 Nethermind 的Warp 項目正在構建從Solidity 語言轉譯為StarkWare Cairo 語言的編譯器，這個編譯器將會把StarkNet 變成真正的第四類ZK-EVM 系統。


各個ZK-EVM 類型的未來


並不是說這些類型比其它類型“更好”或“更差”。相反，相較之下他們各有不同：從類型1 至類型4，編號較低的ZK-EVM 類型和現有的基礎設施更加兼容，但運行得更慢；而編號較高的ZK-EVM 類型則和現有的基礎設施不那麼兼容，但運行得更快。總之，對所有ZK-EVM 類型的探索有益於該領域的健康發展。


另外，ZK-EVM 項目可以隨著時間的推移，輕鬆地從編號高的ZK-EVM 開始，然後轉為編號低的類型（反之亦然）。例如：


  • ZK-EVM 可以在一開始作為第三類ZK-EVM 投入使用，不去加入一些特別難以生成ZK 證明的功能。之後，他們可以隨著時間的推移而加入那些功能，繼而轉變為第二類。

  • 一開始作為第二類別的ZK-EVM，通過在完全兼容以太坊的模式下運行，或使用在修改後能更快生成證明的狀態樹，這類ZK-EVM 可以在之後變成第二類和第一類ZK-EVM 的混合類型。 Scroll 就正在考慮向這個方向發展。

  • 一些一開始屬於第四類系統的ZK-EVM 項目，可以通過之後添加EVM 代碼處理的功能，繼而隨著時間變成第三類ZK-EVM（儘管開發者還是會被鼓勵直接從高級語言編譯，以此減少費用和證明生成的時間）。

  • 如果以太坊自身為了變得更加ZK 友好而採用一些修改，那麼第二類和第三類可以成為第一類ZK-EVM。

  • 第一類或第二類ZK-EVM 可以通過增加驗證ZK-SNARK 友好語言代碼的預編譯，變成第三類ZK-EVM。這為開發者在以太坊兼容性和運行速度之間提供了一個選擇。這可以算是第三類ZK-EVM，因為它會破壞完美的EVM 等效，但出於實際意圖和目的，它可能還會具有很多第一類和第二類ZK-EVM 的優勢。它不好的地方可能是，一些開發者工具無法理解ZK-EVM 的自編譯，雖然這點也可以修復：開發者工具可以通過支持包括EVM 代碼等效的預編譯實現在內的配置格式，以此增加通用的預編譯支持。


就個人而言，通過結合ZK-EVM 中的改進與讓以太坊變得更加ZK-SNARK 友好的改進，我希望這些項目全部慢慢變成第一類ZK-EVM。在這樣的未來里，我們也會有多種ZK-EVM 實現，可以用於ZK rollup，也能用來驗證以太坊鏈本身。理論上，以太坊沒有必要標準化單個ZK-EVM 的實現來供L1 使用；不同客戶端可以使用不同的證明，我們才能繼續從代碼冗餘中獲益。


不論如何，我們還需要一些時間來迎接這種未來。同時，我們也會在擴容以太坊和開發基於以太坊ZK rollup 的不同賽道上看到大量創新。



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