ROL:科普 | 一文探究zkEVM：以太坊擴容方案的關鍵

在以太坊Layer2擴展網絡Arbitrum和Optimism網絡都宣布其主網的公開測試版正式啟動后，Layer2的整體數據增長都極其明顯，這也標志著以太坊Layer2擴展解決方案之一OptimisticRollup已經正式啟動。沒錯，這是一個屬于Layer2的季節。

當像Arbitrum和Optimism這樣的OptimisticRollup成為市場焦點時，另一個Layer2網絡zkEVM也取得了一些關鍵性的進展。現如今，我們看到越來越多地zkEVM已成為擴展以太坊的關鍵。本文就將會帶你深入了解zkEVM的基本原理和發展現狀。

作者：DeGateTeam

來源：Medium

編譯：陳一晚風

概要

1、zkSync宣布推遲8月31日發布其2.0版本。基于zkEVM的zkSync2.0有望成為第一個兼容EVM的zkRollup；

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

2、8月13日，Polygon宣布以2.5億美元收購以太坊Layer2擴展解決方案Hermez，其核心技術是其zkEVM解決方案；

3、以太坊基金會在一份關于研發進展的定期更新聲明中表示，在過去幾個月中以太坊基金會資助籌建zkEVM團隊，希望能將EVM的所有操作碼直接通過ZK電路實現。

正如我們所知，在比較OptimisticRollup和ZKRollup的兩種擴容解決方案時，V神認為OptimisticRollups可能會在短期內贏得通用EVM計算。但從長遠來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKrollup才可以在所有的應用場景中“獲勝”。而所謂“ZK-SNARK技術的改進”主要是指zkEVM的成功。

動態 | 新浪財經：官媒針對區塊鏈的報道從科普宣傳轉向打假監管:據新浪財經今日消息，“1025新政”滿月，一個月間，官媒對區塊鏈的態度風向已轉。據11月初的一項統計，七家黨媒在新政一周內發布了65篇直接相關報道，當時文章中的關鍵詞是數據、產業、安全、創新等，大量文章偏向于科普區塊鏈的概念以及應用介紹，提醒警惕虛擬貨幣炒作的僅有3篇。近期，官媒的批評焦點則紛紛指向借區塊鏈之名進行的虛擬貨幣發行和炒作行為。據統計，新華網、人民網收錄轉載的，以打擊虛擬貨幣或揭露假借區塊鏈行騙為主題的文章，自10月25日到11月25日午間，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周內就高達15篇。這些文章主要圍繞三個觀點展開：厘清區塊鏈和虛擬貨幣的關系，說明二者概念不等；打擊偽“區塊鏈”騙局，或是虛擬貨幣騙局揭露；提醒民眾，區塊鏈不能成為炒作的噱頭，更不是行騙的招牌，需警惕此類活動，理性投資。[2019/11/26]

zkEVM的作用

在開始探究zkEVM的作用前，讓我們先來重新認識一下以太坊。從本質上來說，以太坊就是一個基于交易的狀態機。在計算機科學中，狀態機是通過讀取一系列輸入，從舊狀態轉換到新狀態的機器。

動態 | 人民日報官方微博科普區塊鏈 強調區塊鏈不等于比特幣:人民日報官方微博今早發表9圖科普區塊鏈。其中涉及區塊鏈的特點有：1、安全；2、不可篡改；3、可訪問；4、無第三方。區塊鏈對未來的影響：1、不需繁瑣個人證明；2、看病避免反復檢查；3、旅行消費更加便捷；4、交易無需第三方。同時強調，區塊鏈不等于比特幣。比特幣只是區塊鏈技術的一種應用，區塊鏈還有醫療衛生、食品安全、版權保護等諸多應用領域。[2019/10/28]

從創世狀態開始，以太坊通過一個又一個的交易轉換到以太坊的當前狀態。該狀態包含所有帳戶地址及其映射的帳戶狀態。

其中，EVM或以太坊虛擬機負責處理交易。EVM作為堆棧機運行，程序員在其中使用Solidity等高級語言編寫代碼，然后將其編譯為EVM能夠理解的EVM字節碼。EVM以各種EVM操作碼的形式執行標準堆棧操作，最終產生一個新的狀態。

動態 | 浙江衛視節目科普支付寶區塊鏈防偽溯源產品:昨日，在浙江衛視播出的科普綜藝欄目《智造將來》現場，支付寶首次展示了支付寶區塊鏈防偽溯源產品，以接地氣的方式公開向大眾展示區塊鏈在生活中的應用。[2019/3/4]

現在問題來了。我們知道zkRollup解決方案需要為Layer2上的交易生成零知識證明，并將它們傳遞回Layer1進行驗證。為了生成零知識證明，交易的處理需要符合zk電路證明規范。而在EVM設計之初，設計者并沒有考慮支持零知識證明。因此我們需要zkEVM。從技術上講，zkEVM的含義是：運行在zkRollup網絡上的虛擬機，兼容EVM并且零知識證明友好。

兩種實施策略

對于zkEVM來說，目前主要有兩種實現策略。

1、直接支持現有的EVM操作碼集，與Solidity操作碼集完全兼容。使用此解決方案的人包括Hermez和以太坊基金會zkEVM。

2、通過設計一個零知識證明友好的新虛擬機并適應EVM開發工具來保持Solidity兼容性。該方案主要被zkSync使用。

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

對于第一種策略，由于它完全支持現有的EVM操作碼集，并且使用與EVM相同的編譯器，現有的生態系統和開發工具完全兼容，也更好地繼承了以太坊的安全模型。而第二種策略，它不受原始EVM操作碼集的約束，因此可以更靈活地將代碼編譯為對零知識證明更友好的操作碼集。它還免去了與所有原始EVM操作碼集兼容所需的繁重工作。

總的來說，第一種策略更兼容、更安全，但工作量更大；第二種策略更靈活、工作量更少，但需要額外的努力來適應。

主要解決方案對比

HermezzkEVM

Hermez使用第一種策略，將整個EVM操作碼集轉換為微操作碼。

眾所周知，有一些可變的EVM操作碼，例如CALL、EXP、CREATE等，它們對zk電路證明本質上是不友好的，而這些操作碼的邏輯可以使用微操作碼以一種更友好的方式來表達。微操作碼在uVM中執行，uVM使用大量加密工具實現zk完成，并使用Plookup算法提高證明和驗證效率。

HermezzkEVM的另一個亮點是它同時使用了兩個證明系統，專門生成一個STARK證明，然后使用PLONK或Groth16生成一個STARK證明的證明并在Layer1上進行驗證，就像一個證明的證據。原因是STARK的證明量大，驗證鏈上的成本高，而Groth16或PLONK的證明量小，驗證速度快。兩者的這種組合各有優勢，很容易被認為是一種組合使用非對稱和對稱加密算法的場景。

AppliedZKPzkEVM

與Hermez一樣，AppliedZKPzkEVM也使用第一種策略。AppliedZKP使用BusMapping映射思想來分離存儲和計算。基于BusMapping映射提取的正確存儲數據，State證明證明了數據的一致性，EVM證明證明了計算邏輯的正確性。

具體流程如下：

1.EVM通過BusMapping映射讀取所需的相關狀態。狀態由存儲、內存和堆棧組成；

2.EVM執行操作碼；

3.EVM通過BusMapping映射寫回新狀態；

4.State證明負責BusMapping讀寫數據的一致性和正確性，EVM證明負責EVM操作碼執行的正確性。

zkSyncEVM

與Hermez和AppliedZKP不同，zkSync選擇了第二種策略。zkSync的zkEVM不是EVM的復制品，而是新設計的，可以運行99%的Solidity合約，并確保它在各種條件下正常工作。同時，zkEVM可用于在電路中高效生成零知識證明。

zkSyncEVM使用TinyRAM來實現通用的操作碼集，而消耗大量gas的操作碼，例如SHA256和keccak，將特別實現其電路，最后使用遞歸聚合技術將所有證明聚合為一個以提高效率。

zkSync還為zkEVM開發了兩個編譯器前端：Yul和Zinc。Yul是一種微型Solidity表示，可以為不同的后端編譯成字節碼；Zinc是一種基于Rust的語言，用于智能合約和通用零知識證明電路。這為開發人員提供了更多選擇。

另外，zkSync在構建編譯器時，選擇了LLVM這個生產工業級產品最先進的編譯器框架，以確保編譯器足夠完整，并具有所有經典優化。

總結

從上述這些擴容項目中，我們看到在團隊的不斷努力下，zkEVM技術正在走向成熟，并將在大約六個月內實現與EVM兼容的zkRollup擴展解決方案。

如今，區塊鏈技術正在進入一個前所未有的充滿爭議的時代。從公鏈之爭到以太坊擴容方案之戰，甚至到一個具體擴展解決方案，不同的項目都在相互競爭、追趕和超越，這其中蘊含著對現實世界的巨大游戲，很幸運，我們處于區塊鏈技術技術最具活力的時代。

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