zkSync2.0 主网上线之际浅析各类 zkEVM

头部 ZK Rollups 的 zkEVM 类型对比。

作者：0x1，IOBC Capital

封面：zkEVM

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，ZKRollup 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。

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：

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-SNARKASIC 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。

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：