zkVM 生存之道，一文详解派系之争

撰文：Bryan, IOSG Ventures

过去的 2022 年关于 rollup 主要的讨论焦点似乎都集中在 ZkEVM，但是别忘记 ZkVM 也是另一种扩容手段。虽然 ZkEVM 并不是本文的重点，但是值得回味一下 ZkVM 与 ZkEVM 之间的的几个维度的不同之处:

1. 兼容性：虽然都是扩容，但是侧重点并不同，ZkEVM 的侧重点在于直接实现与现有 EVM 的兼容，而 ZkVM 的定位在于实现完全的扩容，也就是将 dapp 的逻辑以及性能提升到最优，兼容性并不是首要的。底层搭好了，EVM 兼容也可以实现。
2. 性能：两者都有比较可以预见的性能方面的瓶颈，ZkEVM 主要瓶颈在于兼容 EVM 这样一个并不适合封装在 ZK 证明系统时产生的多余成本。ZkVM 的瓶颈在于因为引入了指令集 ISA,导致最终输出的约束更复杂。
3. 开发者体验：Type II ZkEVM ( 如 Scroll, Taiko) 主打的是对于 EVM Bytecode 的兼容，换句话说就是 Bytecode 级别及其以上的 EVM 代码都可以通过 ZkEVM 产生对应的零知识证明。对于 ZkVM 来说，有两个方向，一个方向是做自己的 DSL( 如 Cairo), 另一个则是目标兼容现有的比较成熟的语言如 C++/Rust（如 Risc0)。未来我们预计原生的 solidity 以太坊开发者会可以无成本迁移至 ZkEVM，而更新更强大的应用则会跑在 ZkVM 上。

很多人应该还记得这张图，CairoVM 事不关己游离于 ZkEVM 派系斗争的本质原因是设计思想的不同

在讨论 ZkVM 之前，我们首先思考的是如何在区块链中实现 ZK 证明系统。大致上，有两种方法实现电路 - 基于电路的系统 (circuit based) 以及基于虚拟机的系统 (vm-based)。

首先，基于电路的系统的功能是将程序 (program) 直接转化为约束条件 (constraints) 并送入证明系统 (proving system)；基于虚拟机的系统通过指令集 (ISA) 执行程序，在此过程中产生执行轨迹 (execution trace)。这个执行轨迹之后会被映射成约束条件，然后被送入证明系统。

对于一个基于电路的系统，程序的计算由执行程序的每台机器 (machine) 进行约束。而对于基于虚拟机的系统，ISA 被嵌入到电路产生器 (circuit generator) 中，并产生程序的约束 (constraints)，同时电路产生器有指令集、运行周期、内存等等限制。虚拟机提供了通用性，即任何机器都可以运行一个程序，只要该程序的运行条件在上述限制范围内。

在虚拟机中一个 zkp 程序大概经历如下的流程：

图片来源: Bryan, IOSG Ventures

优缺点:

以下是目前 L1/L2 中基于电路和基于虚拟机的不同的项目预览:

图片来源: Bryan, IOSG Ventures

虚拟机的设计原则

在虚拟机中，有两个关键的设计原则。首先，确保程序被正确执行。换句话说，输出 (output)（即约束条件 constraint）与输入 (input)（即程序 program）应当正确匹配。一般这是通过 ISA 指令集完成的。其次，确保编译器 (compiler) 在从高级语言转换为适当的约束格式时能正确工作。

1. ISA 指令集

规定了电路产生器的工作方式。它的主要责任是将指令 (instructions) 正确地映射到约束条件 (constraint) 中，这些约束条件随后被送入证明系统 (proving system)。zk 系统使用的都是 RISC( 精简指令集 )。有两种 ISA 的选择：

第一种是自建一个自定义的 ISA(custom ISA)，这在 Cairo 的设计中可以看到。一般来说，有如下四种类型的约束逻辑。

自定义 ISA 的基本设计重点是确保约束条件尽可能少，从而使程序的执行和验证都能快速运行。