zkSync2.0主网上线之际浅析各类zkEVM

ZK Rollup 的核心工作机制是将链上的用户状态压缩存储在一棵 Merkle 树中,并将用户状态的变更转移到链下进行,同时通过 zksnark/zkstark 证明来保证该链下用户状态变更过程的正确性。通俗地理解,ZK Rollup 可以理解为通过 zksnark 或 zkstark 来使用亚线性处理以验证线性数量的语句。

以太坊的发展路线越来越倾向于 Modular Blockchain,其本质就是 Layer1 的 data sharding 和 Layer2 的 Rollups 扩容相结合,成为一种模块化架构,从而推动以太坊实现 “世界计算机” 的初衷。其中 Rollups 的技术路径选择方面,ZK Rollup 被认为是以太坊扩容的最终目标。

ZK Rollup

ZK Rollup 的核心工作机制是将链上的用户状态压缩存储在一棵 Merkle 树中,并将用户状态的变更转移到链下进行,同时通过 zksnark/zkstark 证明来保证该链下用户状态变更过程的正确性。通俗地理解,ZK Rollup 可以理解为通过 zksnark 或 zkstark 来使用亚线性处理以验证线性数量的语句。比如,1000 条语句需要 10 次验证者检查,10000 条语句需要 11 次验证者检查。所以,呈现出来的结果是,ZK rollup 可以实现以太坊扩容。

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ZK Rollup 的大致区块链事务处理过程如下:

用户将他们的资产锁定在 L1 上的 zk rollup 智能合约中;

用户将涉及这些资产的交易提交给 L2,L2 中的某些角色(Sequencer,早期多数项目是中心化的,也有项目开始采用去中心化方式)将这些交易通过某些规则收集成有序批次,并为每个批次生成有效性证明(zksnark/zkstark)和聚合状态更新;

这个状态更新和证明被提交到 L1 的 zk rollup 智能合约并被验证,就会更新在 L1 的区块链上;

用户可以使用这种 L1 状态(取决于不同的数据可用性机制)来检索他们的资产,从而实现完全的自我托管,所以 zk rollup 也被认为继承了以太坊安全。

zkEVM 的必要性

众所周知,第一代的 ZK Rollups 是不支持 EVM 的,可编程性和可组合性较差,只能限定在一些特定的场景,比如:Loopring 只能限定在 Payments&Swaps 等场景;Immutable 只能限定在 NFT Minting&Trading&Games 等场景;zksync1.0 其实也不支持 zkEVM。不具有通用性。

后来,头部的那些 ZK Rollups 开始探索,在 ZK Rollup 上研发支持 EVM 字节码的代码执行环境,从而使得以太坊上的智能合约可以从以太坊迁移到 ZK Rollup 上,而无需从头开始编写代码。EVM 是第一个图灵完备的区块链虚拟机,于 2015 年发布。它是迄今为止最久经考验的区块链虚拟机,也是以太坊非常重要的智能合约基础设施。甚至在谈到其他区块链时,也会将 EVM 兼容与否作为一个评判维度,因为 EVM 兼容的背后代表的不仅仅是智能合约执行环境,也代表着可用的以太坊生态和工具集,更代表着不可忽视的网络效应。所以,ZK Rollups 也没敢忽略这一块儿。zkEVM 则可以理解为将 EVM 作为智能合约引擎运行在 ZK Rollup 中。zkEVM 的目标是在不失去 Rollup 性能优势的基础上,将以太坊体验完全带入到 L2。截至目前,zkSync2.0、Polygon Hermez2.0、Scroll 等头部的通用 ZK Rollup 项目都已经先后推出了 zkEVM 测试网,StarkNet 则已经进入到了 Alpha Mainnet 阶段。

zkEVM 的兼容性分类

当前的 ZK Rollups 的 zkEVM 与 Ethereum 本身并非完全兼容,更遑论 “以太坊等效” 的终极愿景。所以,不仅以太坊本身的升级规划在迁就 Rollup 友好型,各个 ZK Rollup 项目也一直在解决与以太坊的兼容性问题。

Vitalik 根据与现有 EVM 基础设施的兼容性程度,将 zkEVM 通用 ZK Rollup 分为 4 类:

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Type-1:完全等效于以太坊

Type-1 型 zkEVM 力求完全且毫不妥协地与以太坊等效。无需改变以太坊系统的任何部分,无需取代哈希、状态树、事务树、预编译或任何其他共识逻辑。简而言之,Type-1 型的 zkEVM 完全等效于 Ethereum。

Type-1 型 zkEVM 能够像以太坊一样验证以太坊区块,或者至少验证执行层端(包括所有交易执行、智能合约和账户逻辑,不包括信标链共识逻辑)。

Type-1 型 zkEVM 是以太坊最终需要的,也是 Rollups 的最理想选择。一方面,Type-1 型 zkEVM 可以让 Rollups 重用大量的基础设施(例如:Ethereum Execution Clients、Block Explorers、Block Production 等);另一方面,Type-1 型 zkEVM 能使得以太坊 Layer1 本身更具可扩展性,因为在 Type-1 型 zkEVM 上探索的一些对以太坊的修改,也许未来会被引入到 Ethereum 本身。

当然,Type-1 型 zkEVM 也有缺陷。以太坊最初并非围绕 ZK 友好型设计的,因此以太坊协议的许多部分需要大量计算才能进行 ZK 证明。Type-1 型与以太坊一样,无法缓解在这个事情上的低效(在生成证明方面,需要较长时间)。针对这个问题,目前行业里提出的解决方案主要是:通过巧妙的工程大规模并行化证明,或通过 ZK-SNARK ASIC 来实现硬件加速。

目前,主要有两个团队在尝试探索 Type-1 ZK-EVM,一个是 Privacy and Scaling Explorations team,一个是 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。它们与现有的应用程序也完全兼容,但需要对以太坊进行一些小的修改,以使开发更容易并更快地生成证明。

Type-2 型 zkEVM 对区块结构和状态树之类的数据结构有一些修改。由于这些是 EVM 本身无法直接访问的结构,所以在以太坊上运行的应用程序几乎可以直接在 Type-2 型 zkEVM Rollup 上运行。虽然无法按原样直接使用以太坊执行客户端,但通过一些修改仍可以使用它们,并且还可以使用 EVM 调试工具和大多数其他开发工具。

通过删除部分不必要的和 ZK 不友好的以太坊堆栈,Type-2 zkEVM 的证明时间比 Type-1 zkEVM 更快些。这些修改虽然显著提高了证明者的效率,但并没有根本性解决证明时间慢的问题。总而言之,Type-2 的证明时间还是很慢。

Type-3: 几乎等效于 EVM

Type-3 型 zkEVM 几乎与 EVM 等效,在兼容性方面也有所牺牲,但其 EVM 更易于开发。

Type-3 型 zkEVM 通过删除一些在 zkEVM 中很难实现的功能(比如:预编译),以及在处理合约代码、内存或堆栈方面的调整,总体在等效性方面做出了一些牺牲,实现了更多的验证器时间、并使 EVM 更易于开发。

在兼容性方面有所牺牲,由于有一些应用程序使用了被 Type-3 型 zkEVM 删除的预编译,这些应用程序需要对其中的部分进行重写。

目前,Scroll 和 Polygon 都属于 Type-3。当然,从长远来看,还没有哪个 zkEVM 团队公开表明愿意长期停留在 Type-3。Scroll 和 Polygon Hermez 都在朝着 Type-2 型 zkEVM 的方向发展,虽然还有许多复杂的预编译还没有实现。

Type-4: 高级语言等效

Type-4 类实际上属于 zkVM。Type-4 系统通过获取以高级语言(Solidity、Vyper)编写的智能合约源代码,并将其编译为明确设计为 ZK-SNARK 友好的某种语言来工作。

优劣势都很明显。有非常快的验证时间,因为 Type-4 类不对每个 EVM 执行步骤的所有不同部分进行 ZK 证明,而是从更高级别的代码开始,从而降低成本并获得更快验证时间。兼容性较差,合约在 Type-4 系统中的地址与它们在 EVM 中的地址不同;手写的 EVM bytecode 更难使用;很多调试的基础设施不能被继承,因为这些基础设施是运行在 EVM 字节码上。

总而言之,Type-4 属于语言级别等效,与字节码级别等效相比在兼容性方面有较大差距。根据 Vitalik 的观点,目前主要有 Zksync 属于 Type-4 类,尽管随着时间的推移它可能会增加对 EVM 字节码的兼容性;基于 Nethermind 的 warp 项目正在构建从 Solidity 到 Starkware 的 Cairo 编译器也会把 StarkNet 变成 Type-4 型。

各类 zkEVM 的比较

这些 zkEVM 并没有绝对的优劣之分。它们只是在兼容性与速度之间有所取舍,Type-1 型 zkEVM 与以太坊的兼容性最高,但证明速度较慢;Type-4 型 zkEVM 与以太坊的兼容性较差,但验证速度更快。而且我们会发现,现有的 ZK Rollup 的明星项目,包括 Zksync、StarkNet、Polygon、Scroll 等都属于 Type-4/Type-3 这样的与以太坊兼容性没有那么高的 zkVM/zkEVM 类型。

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Vitalik 是希望随着时间的推移,通过 zkEVM 的改进和以太坊本身的改进相结合,最终所有 zkEVM 都成为 Type-1 类。这样的好处在于,未来会有多个 zkEVM,既可以用于 ZK Rollup,也可以用于验证以太坊链本身(未来以太坊会对 ZK-SNARK 更加友好)。

Vitaliki 提出的观点,一般来说很容易达成整个行业的共识,我也非常认可。Type-1 型 zkEVM 的项目在 Ethereum 生态自然是最受欢迎的、也比较匹配 Ethereum L1。但 Type-4 类 zkVM 也未尝不是执行层项目的一个好的技术方案选择。主要有两点考虑:

放在 Modular Blockchain 的叙事下,zkVM 更方便对接其他 L1。如果跳出只是做以太坊生态 L2 的思维,没有在字节码级别兼容以太坊虚拟机,而是选择采用 zkVM,也许反而方便未来对接到其他的 L1 共识层;

现在 ZK Rollup 的性能顶板是受限于证明生成速度,Type-4 类 zkVM 有优势。执行层的生成证明的速度还是非常重要的,L2 把执行层的性能做到极致,也未尝不是一个好的思路。虽然说未来能够通过 ASIC 硬件加速来提高生成证明的效率,但效果犹未可知,Type-4 类 zkVM 的证明生成速度较快是个挺重要的优势。

当然,zkEVM 的兼容性和速度实际上并不是开发者考量基于哪个 ZK Rollup 去做应用的唯一指标。还有许多其他的因素会影响他们的选择,比如:

费用:以哪些代币支付费用,L2 费用的降低程度也是一个非常重要的考量因素,但由于多数通用 ZK Rollup 项目还处于测试网阶段,尚无法做对比;

生成证明的规则:支持哪些人作为 Prover,甚至采用哪种硬件来加速生成证明;

L2 交易排序的规则:采用单个 Sequencer 还是采用去中心化的方式;

自托管:是否有明确的机制来确保 L2 发生事故的时候仍然能够在 L1 恢复用户资产;

数据可用性:完整的数据可用性成本自然要高些,是否可接受有些 ZK Rollup 采用的较低成本的数据可用性模式。

总而言之,每种 ZK Rollup 的 zkEVM 是在诸多性能中有所取舍,实际并没有绝对的优劣之分。

(声明:请读者严格遵守所在地法律法规,本文不代表任何投资建议)

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