zkSync2.0主网上线之际浅析各类zkVM

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。

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-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。

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。