TYPE:zkSync2.0 主網上線之際淺析各類 zkEVM

作者：?IOBCCapital

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；

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；

zkSync開發公司Matter Labs完成2億美元融資:金色財經報道，zkSync開發公司Matter Labs宣布完成2億美元C輪融資，本輪融資由Blockchain Capital和Dragonfly共同領投，a16z、Variant、Lightspeed Venture Partners等參投。[2022/11/16 13:13:47]

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。

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。

zkSync支持通過UTORG直接使用法幣直接購買zkSync上的代幣:金色財經消息，以太坊二層解決方案 zkSync 已支持通過支付網關 UTORG 直接使用法幣直接購買 zkSync 上的代幣，UTORG 表示目前支持任何銀行卡以及 Apple Pay，并支持 26 種法定貨幣。[2022/4/21 14:38:32]

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。

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

ZKSwap 開發負責人 Alex Lee：注重隱私的DeFi項目才值得擁有:5月11日消息，二層交易協議ZKSwap開發負責人 Alex Lee 在接受Cointelegraph采訪時表示：“DeFi和傳統金融并沒有太大的區別，但是DeFi需要更少的信任，特別是AMM，從其增長中可以看到，它給當前金融的格局帶來了變化。”在隱私方面，他認為：“市場層面的信息應對所有參與者透明，并與此同時還應該保護個人隱私。隱私是個人的基本權利，任何值得擁有的去中心化金融體系都必須尊重其服務的個人金融所有權。”[2021/5/11 21:48:06]

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。

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。

幣贏CoinW支持ZKSwap(ZKS)空投ZKS:據ZKS官方消息，ZKSwap將于2021年2月25日10:00（UTC+8）對所有在Layer1(所有交易所和獨立錢包地址)和Layer2以及鎖倉合約里面持有ZKS的用戶進行1:1的空投。

據悉，本次空投將只針對目前已經流通的8000萬個代幣進行空投。天使投資人的代幣會和空投的8000萬個代幣，進行同步釋放，天使投資人在2月25日解鎖的大部分代幣，會參與長期鎖倉和Staking計劃，2月25日也將同步解鎖顧問團隊0.33%的代幣。

Uniswap和ZKSwap 關于ZKS/USDT的流動性，也會臨時移除，并在空投結束的72小時內，按照大于等于移除前50%的價格，重新添加1200萬美金的流動性（重新添加流動性的時候，如果市場價格高于50%的移除前價格，將按照市場價格添加流動性）。詳情點擊鏈接。[2021/2/22 17:40:04]

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。

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。

MatterLabs已在以太坊主網部署Layer2擴展工具zkSync:據官方消息，以太坊擴容項目MatterLabs宣布已在以太坊主網部署其Layer2擴展工具zkSync。MatterLabs團隊表示，zkSync將極大解決以太坊上的交易成本（Gas）費，平均交易費用旨在長期保持在的小于0.01美元的低位，并逐步實現最高達2000TPS的吞吐量。目前，zkSync已經實現「可擴展的支付功能」，后續將依次實現「智能合約部署」、「隱私」和「加密抗審查」等功能，最終實現為數十億人提供可擴展的、保護隱私的、公平的且無許可的加密基礎設施。（Medium）[2020/6/19]

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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