zkEVM 现状报告：以太坊扩展性的未来

原文：Galaxy Digital，由 DeFi 之道翻译编辑。

本文介绍了 4 种级别的 EVM 等效性，以太坊上的 zkEVM 项目概览，构建 zkEVM 所面临的的挑战，zkEVM 的竞争展望。

介绍

零知识以太坊虚拟机 (zkEVM) 是一项雄心勃勃且改变游戏规则的技术，可在短期和长期内提高以太坊的可扩展性。今年，三个主要的以太坊扩容项目 ——zkSync、Polygon 和 Scroll—— 各自宣布了其 zkEVM 实施的重大进展，其中许多项目已在今年的早期 alpha 阶段启动，如今作为独立的第 2 层 (L2) 运行区块链。随着时间的推移，zkEVM 有可能直接从以太坊的基础层运行。

简而言之，zkEVM 是虚拟机，可以执行与以太坊虚拟机 (EVM) 相同的高级编程语言或低级字节码，并使用零知识证明 (ZKP) 证明此代码，加密证明可在不泄露的情况下验证数据有关数据本身的任何信息，例如其属性或内容。早在 1982 年，计算机科学家 Goldwasser、Micali 和 Rackoff（Silvio Micali 是 Algorand 区块链的创始人）首次将 ZKP 作为概念引入。 ZKP 经常与同态加密相混淆，同态加密是密码学的另一个分支，它允许对加密数据执行操作而无需解密数据。同态加密方案于 1978 年由 Rivest、Adleman 和 Dertouzos 首次提出，已成为实现云计算和存储的关键技术之一。值得注意的是，同态加密也被用于一些公共区块链协议，如隐私币 Grin 来混淆交易金额。

在过去的 40 年里，计算机科学家发明了多种算法来安全高效地生成 ZKP，其中许多算法属于两大类：可扩展的透明知识论证 (STARKs) 或简洁的非交互式知识论证 (SNARKs)。这些算法是为大量用例开发的，包括核裁军、身份认证系统，以及最近通过公共区块链和加密货币的出现来实现区块链可扩展性。特别是在以太坊上，许多开发人员认为 ZKP 是扩展的 “圣杯”，因为与其他用于验证交易数据的加密方案相比，ZKP 具有简洁和易于验证的特点。难以构建或破解但易于验证是密码协议开发人员的共同目标，因为它允许广泛而有效的分发。

对于零知识系统的所有好处，众所周知，它们很难推广和应用于证明任意复杂性的代码。构建 ZKP 以本地支持和证明以太坊区块链上所有类型的交易活动一直是开发人员在过去几年中进行的一项持续研究计划。直到 2021 年 11 月，Starkware 才推出了第一个用于证明基于以太坊的交易的通用 ZK 系统。这是通过 Starkware 团队创建的自定义编程语言 Cairo 实现的。然而，最近，在 2022 年 7 月，三种不同的基于以太坊的 L2 协议 ——zkSync、Polygon 和 Scroll—— 宣布在利用 ZKP 以 zkEVM 的形式扩展以太坊方面取得了突破。

注意：虽然通俗地称为 zkEVM，但这些虚拟机并没有利用 ZKP 的隐私优势，而是完全受益于 ZKP 的安全和效率优势。因此，这些类型的虚拟机更准确的名称是有效性证明生成 EVM，但在本报告中，将使用更流行的名称 zkEVM。

本报告旨在让读者熟悉 zkEVM 的一般概念，并检查以太坊开发中的各种实现。由于 zkEVM 是一个高级主题，本报告首先简要概述以太坊网络的现状，并通过介绍区块生产、EVM 和 rollup 等核心概念为理解 zkEVM 奠定基础。然后，我们将总结以太坊上可以存在的不同类型的 zkEVM，并比较目前生产中的 5 种主要 zkEVM 实现。然后，我们将重点介绍这项新兴技术在实施中面临的挑战，以及我们对 zkEVM 随时间推移的竞争格局的展望。总体而言，zkEVM 仍处于以太坊开发和采用的早期阶段，尽管它们成为 L2 区块链和最终以太坊协议本身的首选扩展技术的潜力很高。

今天的以太坊

在深入研究 zkEVM 的复杂性之前，重要的是首先要从高层次理解交易是如何包含在以太坊的区块中的。

区块生产

当用户向以太坊提交新交易时，连接到网络的计算机（也称为节点）将交易存储在称为内存池的本地数据结构中，内存池负责维护未确认交易的列表。然后，随机选择运行节点和抵押 32 ETH 作为网络抵押品的验证者，将内存池中的交易批量处理并处理成块。选择将新区块附加到以太坊区块链的验证者有时被称为 “提议者”。一些提议者在构建区块时将依赖第三方区块构建器而不是本地内存池，以从最大可提取价值 (MEV) 中获得额外奖励。有关 MEV 的更多信息，请阅读这份 Galaxy Research 报告。

区块按顺序组织，并通过父哈希（前一个区块的 header 哈希）链接在一起。每个区块都包含其父区块的前一个哈希，将区块链接在一起并形成区块链数据结构。通过父哈希链接区块如下图所示：