作者：RJ；來源：作者推特@0xRJ_eth

引言

預計於2023 年秋冬實施的以太坊重大升級——坎昆升級（Cancun-Deneb Upgrade），核心目標是增強以太坊網絡的可擴展性、安全性和可用性，同時極大程度降低二層網絡的Gas費。因此，如若成功實施，將直接利好太坊二層擴容（L2 Rollups）生態，甚至有望帶動整個L2 賽道的爆發。

在L2 擴容賽道中，具有極佳數據壓縮性能的零知識證明擴容方案（ZK Rollups）已然被認為是以太坊的中長期核心方案。以太坊創始人Vitalik 於2022 年根據各家ZK Rollups 與EVM（Ethereum Virtual Machine）以太坊虛擬機的兼容性將其分為4 種不同的類型，為zkEVM 類型確立了基礎標準。

這篇文章深受上述Vitalik 的開創性分類標準的啟發。經過一年的發展，該領域已取得重大進展。本文旨在以清晰的邏輯和簡潔的語言，以Vitalik 見解為基礎，提供賽道更新和更詳細的詮釋（技術小白友好）。

什麼是EVM？

EVM（Ethereum Virtual Machine）以太坊虛擬機，是第一個圖靈完備的區塊鏈虛擬機。可以理解為是以太坊上的代碼運行環境，專門用以執行部署在以太坊網絡上的智能合約。通過EVM，智能合約能夠在去中心化網絡上實現自動化的功能。

作為2015年發布的、迄今為止最久經考驗的區塊鏈虛擬機，EVM 絕對是以太坊非常重要的基礎設施。甚至在評判其他區塊鏈時， EVM 兼容與否已是一個重要的考量維度，因為EVM 兼容的背後代表的不僅僅是智能合約執行環境、可用的以太坊工具集，更代表著巨大的網絡效應和成熟複雜的生態。

不過，EVM 在設計之初，並未想像到有朝一日ZK Rollup L2 會成為以太坊擴容的核心方案，因此EVM 的設計並沒有考慮要對零知識證明友好。這就使得構建零知識證明友好的EVM （zkEVM）變得非常困難。

什麼是zkEVM？

正因為零知識證明（Zero Knowledge Proof）和以太坊虛擬機（EVM）兼容方面的難度之高，早期的ZK Rollup 是不支持EVM 的。它們普遍缺乏執行智能合約的能力（或者支持特別的虛擬機），因此受限於相對簡單的特定場景：比如代幣兌換（swap）和支付（payment）。

為了解決這個問題，許多組織和研究人員專注於創建zkEVM （Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine），顧名思義，它就是為智能合約在EVM中的執行（過程和結果）生成零知識證明的。

隨著ZK Rollup 擴容方案確定性的增加和技術的進展，各家zk擴容項目根據在兼容性Compatibility 和性能Performance（生成零知識證明的時間Proving Time）之間做衡量和取捨，開創了不同的將EVM 執行與零知識證明計算結合的方法。

不同類型的zkEVM：

來源：Vitalik 博客《The different types of ZK-EVMs》

2022年Vitalik 曾發文闡述“不同類型的zkEVM”，並將市面上的zk擴容項目做了大致的分類和對比。

接下來讓我們用淺顯的語言和清晰的邏輯梳理一下zkEVM 的類型、技術架構、以及各自的優缺點。

Type1 類zkEVM ：完全等效於以太坊

Type2 類zkEVM ：完全兼容EVM 以太坊虛擬機（曾經還有Type2.5 類，如今看來基本與Type2 類融合了）

Type3 類zkEVM ：幾乎兼容EVM 以太坊虛擬機

Type4 類zkEVM ：兼容高級語言

Type1 類zkEVM——完全等效於以太坊

架構：

• 完全等同於以太坊且無需改變以太坊系統環境的任何部分。
• 無需取代哈希（Hashes）、狀態樹（State Trie）、交易樹（Transactions Trie）、預編譯的合約（Precompiles)，和任何其他共識邏輯（In-consensus Logic）。
• 其目標是與現有的應用程序完全兼容，開發者可以將應用程序絲滑地照搬過去。

優點：

• 是所有類型ZK Rollup 中兼容程度最高的方案。因此也是開發者最友好對方案——允許開發者將現有代碼零摩擦（無需修改）地部署到L2 上運行，因為所有的共識邏輯和系統環境完全等同於以太坊。
• 和以太坊本身探索擴容的方向高度一致，因為在Type1 類zkEVM 上的探索，未來是可以被無摩擦地引入到Ethereum 本身，從而使得以太坊L1 本身更具可擴展性。
• 它可以讓Rollup 無摩擦地照搬現有的海量以太坊基礎設施（例如：以太坊執行客戶端可以按原來的方式用於生成和處理Rollup 區塊、現有的區塊瀏覽器和區塊生成等工具也可以絲滑地部署到L2）。
• 能夠如同現在的以太坊一樣驗證以太坊區塊，或者更確切來說是驗證執行層端（包括所有交易執行、智能合約和賬戶邏輯，但目前還不包括信標鏈共識邏輯）。
• 正如先前提到的，完全等價以太坊的一大價值，便是可以藉助以太坊現有的巨大網絡效應和成熟複雜的生態。

缺點：

• 以太坊在融合零知識證明方面所面臨的問題，Type1 類方案也同樣面臨（畢竟它是以太坊等價，而以太坊最初並非為了zk功能設計的）。
• 最大的問題就是生成證明所需時間久。針對這個問題，目前行業裡主要的解決方案主要是：通過巧妙的工程大規模並行化證明，或通過硬件優化來加速。

主流項目：

• 以太坊基金會PSE（Privacy and Scaling Explorations 隱私和擴容）團隊
• Taiko：今年7月已更新至Alpha-4 測試網，預計2024 年年初上線主網。 Taiko 項目從最初就優先考慮去中心化和兼容性，是目前第一家且唯一一家實現去中心化提議者（proposer）的ZK Rollup。

Type2 類zkEVM——完全兼容EVM 以太坊虛擬機

架構：

• 力求完全兼容EVM 以太坊虛擬機，但不等效於以太坊。
• 與以太坊自身的運行環境相比，此類型zkEVM 主要對區塊結構、狀態樹的數據結構、gas fee的定價邏輯（根據zk 友好度重新定價）和數據存儲等方面進行了一些修改，使zk驗證證明生成得更快更便宜。
• 其目標是盡可能與絕大部分現有應用程序兼容，少數應用需進行一些改動。

優點：

• 通過對gas fee 的重新定價（越zk 不友好的op code 價格越貴，反之亦然），和刪除部分對ZK 不友好的以太坊堆棧，來提供比Type1 類更快的驗證時間。
• Type2 類型可以做到與極大部分現有的以太坊應用程序兼容，因此絕大多數開發者和用戶層面基本感受不到摩擦。
• 雖無法零修改地直接使用以太坊執行客戶端，但通過一些調試仍可以支持現有的EVM 調試工具和其他開發基礎設施。因此仍在極大程度上可以藉力於以太坊現有的繁榮生態。

缺點：

• 更改執行環境的影響範圍雖小，但中長期依舊存在潛在的開發問題。比如將以太坊常用哈希（Keccak）替換為其他zk 友好的哈希值（例如Poseidon ），有可能會導致那些依賴於Keccak 哈希值（涉及到歷史數據）的程序應用（比如：跨鏈橋。大致原理：跨鏈橋不是實時通訊，通常是你在A鏈做了一個行為——比如已經burn了什麼；要在B鏈做相互對應行為——要鑄造什麼…那本質就是你在B鏈上需要去證明A鏈的歷史數據，因此會涉及到使用Keccak來證明歷史數據）在遷移到Type2 類型項目後出現不兼容問題（無法使用、或者跑出不同結果）。
• 對gas fee定價規則的更改（本意是通過重新根據對zk 友好程度來定價op code，來“引導”開發者減少使用zk 不友好的op code），對於已經在以太坊上已經進行過gas fee優化的合約、甚至是以太坊上的gas fee優化工具就會帶來問題。
• 這些修改雖然和Type1 類zkEVM 相比，進一步提高了證明者的效率，但和Type4 類zkEVM 相比，證明時間依舊是一個相對缺點。

主流項目：

• Scroll：2022 年9 月上線Pre-Alpha 測試網，2023 年2 月上線Alpha 測試網，預計於2023 年8 月上線主網。測試網上線時屬於Type3 類zkEVM，但正在逐步增強EVM 兼容性並向Type2 類zkEVM 過渡。
• Polygon zkEVM（Polygon團隊的ZK Rollup 方案）：2023 年3 月上線了主網Beta 版本。上線時屬於Type3 類zkEVM，但目前在向Type2 類zkEVM 過渡。

Type3 類zkEVM——幾乎兼容EVM 以太坊虛擬機

架構：

• Vitalik 在其2022 年的blog 文章中稱，Type3 類zkEVM 更像是一個過渡（通過提高兼容程度過渡為Type2/1 類；或者通過降低兼容程度、提升zk 友好度，過渡為Type4 類)。
• 近乎兼容EVM 以太坊虛擬機。通過在兼容性方面進一步犧牲，使其zkEVM 更易於開發、zk 證明生成速度更快。
• 刪除了更多在zkEVM 中難以實現的功能（比如預編譯功能）。
• 在處理合約代碼（contract code）、內存（memory）或堆棧（stack）方面存在更大差異。
• 目標是與大多數現有應用程序兼容。

優點：

• 相比起Type1 和Type2 類zkEVM，此類型更加zk 友好，運算zk 證明時間更短。
• 相比起Type4 類zkEVM 可以兼容的現有以太坊應用程序更多。

缺點：

• 相比起Type1 和Type2 類zkEVM，此類存在更高的不兼容性和更多元素的犧牲（對以太坊開發者更加不友好）。這也是為什麼Type3 類更像是一個過渡，處於此類的方案大概率會通過提升兼容度，過渡到type2 類zkEVM。
• 相比起Type4 類zkEVM 證明速度更慢。

主流項目：

• Scroll：2022 年9 月上線Pre-Alpha 測試網，2023 年2 月上線Alpha 測試網，預計於2023 年8 月上線主網。一年前Scroll屬於此類型，但目前通過提升以太坊兼容度，在向Type2 類zkEVM 發展。
• Polygon zkEVM（Polygon 團隊的ZK Rollup方案）：2023 年3 月上線了主網Beta版本。上線時屬於Type3 類zkEVM，但目前在向Type2 類zkEVM 過渡。

Type4 類zkEVM——兼容高級語言

架構：

• 此類實際上屬於zkVM（零知識證明虛擬機，而非零知識證明以太坊虛擬機）。
• 可以理解為編程語言層面的兼容。大致邏輯是：開發者可以繼續使用他們在以太坊上習慣使用的編程語言（比如Solidity）編寫智能合約。此類型項目會用編譯器將此編程語言轉換為它們自定義的可讀代碼（比如Starkware 使用Warp 編譯器將Solidity 代碼轉換為Cairo 字節碼；zkSync 通過LLVM 編譯器將Solidity 代碼轉換為其自定義的虛擬機可執行的代碼LLVM-IR）進行編譯，並在它們自定義的環境中（比如Starknet 的Cairo VM 和zkSync 的Sync VM）執行。
• 目標是低成本、高效率、最大化零知識證明友好性。

優點：

• 非常快的驗證時間。
• 直接從高級語言編譯可以大大降低成本（時間、金錢和計算工作量）。
• 降低成為證明者的技術門檻，提高去中心化程度。
• 此類zkEVM 可以通過使用其自定義的虛擬機原生支持帳戶抽象（Account Abstraction）。因為EVM 等效的鏈無法原生支持賬戶抽象，需要通過以太坊的ERC-4337 來實現。

缺點：

• 大量現有的以太坊應用程序無法被複製到這類zkVM 中，或者在復製過程中會出現問題：比如合約在Type 4 類zkVM 系統中的地址可能與EVM 中的地址不一樣；Type4 類zkEVM不支持手寫的EVM 字節碼（而目前許多應用程序都會使用手寫的EVM 字節碼以節省gas fee）；（先前提到了此類型是通過編譯器達到Solidity 代碼語言層面的兼容）其編譯器並不支持Solidity 的一些功能。
• 以太坊開發者如果想將應用部署到此類項目上，需要進行更複雜的的調整。因此，和前幾類zkEVM 相比，此類項目的開發者友好度相對低，有可能影響生態的發展和技術的迭代速度。
• 極難借力於以太坊現有的複雜繁榮的生態和網絡效應。

主流項目：

• zkSync Era（Matter Labs 團隊構建的ZK Rollup 方案）：2020 年6 月上線zkSync Lite（zkSync 1.0），主要支持簡單的支付（payment）和資產兌換（swap）場景，並不支持EVM兼容的智能合約；2023年3月上線zkSync Era（zkSync 2.0），通過上述架構可以實現在高級語言層面的兼容。 zkSync 的目標本就不是EVM 兼容，而是提高零知識證明生成速度。
• Starknet（Starkware 團隊構建的ZK Rollup 方案）：2021 年11 月上線主網，今年7 月已更新至v0.12.0 版本。其自身屬於Type4 類zkEVM，目標本就不是EVM 兼容。但目前它上面也有像Kakarot 這樣的項目，旨在使Starknet 也能達到類似Type 2.5-3 類zkEVM 的兼容程度）。

基於Vitalik 2022 年對於不同zkEVM 的分類，再結合各家項目的進展（截止2023年8月），我們可以用下圖簡單地總結：

各家主流ZK Rollup 項目分類

各類zkEVM 主流項目

各家主流ZK Rollup 項目對比圖

Vitalik 在其文末總結稱：“就我個人而言，我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，使其（以太坊）對ZK-SNARK 更加友好，最終一切都將成為Type1 類。

在這樣的未來，我們將有多個zkEVM 實現，它們既可以用於ZK Rollup（零知識擴容），也可以用於驗證以太坊鏈本身。從理論上講，以太坊沒必要為L1（第一層）使用制定單一的、標準化的zkEVM 規範；不同的客戶端可以選擇使用不同的證明方式，這樣我們就可以繼續受益於代碼層面的冗餘。

但是，要實現這樣的未來，還需要相當長的時間。與此同時，在以太坊（自身）擴容和基於以太坊的ZK Rollup 的不同路徑方面，我們也將會看到大量的創新。 ”

同時，需要強調的是，雖然市面上主流的zkEVM 分類方式是Vitalik 2022年推出的分類（本文引用的），但同時也存在其他的分類標準。且無論如何分類，這些zkEVM 類型並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捨：Type1 類zkEVM 與以太坊的兼容性最高，但證明速度較慢（在ZK Rollup 賽道中屬於）；Type4 類zkEVM 與以太坊的兼容性較差，但驗證速度更快。

當然，zkEVM 的兼容性和速度實際上並不是開發者考量應該基於哪個ZK Rollup 去部署應用的唯一指標。還有許多其他的因素會影響他們的選擇，比如：

L2 交易排序的去中心化程度：sequencer/proposer是否是去中心化的，這直接影響到生態參與者的複雜程度，以及整個網絡的安全性；

費用：以哪些代幣支付費用、一條公鏈的代幣經濟模型如何；

生成證明的規則：對於prover的激勵機制、加速生成證明的硬件標準；

自託管：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ZK Rollup 採用的較低成本的數據可用性模式。

但由於多數通用ZK Rollup 項目目前還處於測試網階段，以上諸多因素尚無法做橫向對比。

最後，任何zkEVM 項目所屬的類型也並非是靜態不變的。隨著各家方案在zkEVM 方面的探索、甚至是以太坊本身的改進，有可能所有方案最終都能達到Type 1 類zkEVM 的效果。屆時我們將有多個zkEVM 實現——既可用於ZK Rollups，又可用於驗證以太坊鏈本身。

而在那之前，讓我們期待看到在擴展以太坊和ZK Rollup 不同路徑上的持續創新。