Autor: RJ; Fuente: Twitter del autor @0xRJ_eth

Introducción

Se espera que la principal actualización de Ethereum, la actualización Cancún-Deneb, se implemente en el otoño y el invierno de 2023. El objetivo principal es mejorar la escalabilidad, la seguridad y la disponibilidad de la red Ethereum, al tiempo que reduce en gran medida el gas de la red. red de segunda capa tarifa. Por lo tanto, si se implementa con éxito, beneficiará directamente a la ecología L2 Rollups de Ethereum, e incluso se espera que impulse el brote de toda la pista L2.

En la pista de expansión L2, el esquema de expansión a prueba de conocimiento cero (ZK Rollups) con un excelente rendimiento de compresión de datos se ha considerado como el esquema central a mediano y largo plazo de Ethereum. En 2022, Vitalik, el fundador de Ethereum, dividió los ZK Rollups en 4 tipos diferentes según su compatibilidad con la máquina virtual EVM (Ethereum Virtual Machine) de Ethereum y estableció el estándar básico para el tipo zkEVM.

Esta publicación se inspiró en gran medida en la taxonomía fundamental de Vitalik mencionada anteriormente. Después de un año de desarrollo, el campo ha hecho un progreso significativo. Este artículo tiene como objetivo proporcionar actualizaciones de pistas e interpretaciones más detalladas (amigables para los novatos) con una lógica clara y un lenguaje conciso, basado en los conocimientos de Vitalik.

¿Qué es EVM?

EVM (Ethereum Virtual Machine) es la primera máquina virtual blockchain completa de Turing. Puede entenderse como el entorno de tiempo de ejecución del código en Ethereum, que se utiliza especialmente para ejecutar contratos inteligentes implementados en la red Ethereum. A través de EVM, los contratos inteligentes pueden realizar funciones automatizadas en una red descentralizada.

Como la máquina virtual blockchain más probada lanzada en 2015, EVM es definitivamente una infraestructura muy importante para Ethereum. Incluso al juzgar otras cadenas de bloques, la compatibilidad con EVM ya es una dimensión importante a considerar, porque la compatibilidad con EVM representa no solo el entorno de ejecución de contratos inteligentes, el conjunto de herramientas de Ethereum disponible, sino también el enorme efecto de red y la ecología madura y compleja.

Sin embargo, al comienzo del diseño de EVM, no se imaginó que ZK Rollup L2 se convertiría algún día en la solución central de la expansión de Ethereum, por lo que el diseño de EVM no consideró ser amigable con las pruebas de conocimiento cero. Esto hace que sea muy difícil construir un EVM compatible con pruebas de conocimiento cero (zkEVM).

¿Qué es zkEVM?

Debido a la dificultad de compatibilidad entre Zero Knowledge Proof y Ethereum Virtual Machine (EVM), el primer ZK Rollup no era compatible con EVM. Por lo general, carecen de la capacidad de ejecutar contratos inteligentes (o admitir máquinas virtuales especiales), por lo que están limitados a escenarios específicos relativamente simples: como el intercambio de tokens (swap) y el pago (pago).

Para solucionar este problema, muchas organizaciones e investigadores se enfocan en crear zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), que, como su nombre indica, genera pruebas de conocimiento cero para la ejecución (proceso y resultado) de contratos inteligentes en EVM.

Con el aumento de la certeza del esquema de expansión de ZK Rollup y el avance de la tecnología, varios proyectos de expansión de zk han creado diferentes futuros basados en las compensaciones entre compatibilidad y rendimiento (tiempo de prueba para generar pruebas de conocimiento cero). con cálculo de prueba de conocimiento cero.

Diferentes tipos de zkEVM:

Fuente: Vitalik blog "Los diferentes tipos de ZK-EVM"

En 2022, Vitalik publicó un artículo que explica "diferentes tipos de zkEVM" y clasificó y comparó aproximadamente los proyectos de expansión de zk en el mercado.

A continuación, utilicemos un lenguaje sencillo y una lógica clara para clasificar los tipos, la arquitectura técnica y las respectivas ventajas y desventajas de zkEVM.

Tipo 1 clase zkEVM: completamente equivalente a Ethereum

Type2 class zkEVM: totalmente compatible con la máquina virtual EVM Ethereum (solía haber una clase Type2.5, pero ahora parece que está básicamente integrada con la clase Type2)

Tipo 3 clase zkEVM: Casi compatible con la máquina virtual EVM Ethereum

Type4 class zkEVM: Compatible con lenguajes de alto nivel

Tipo1 clase zkEVM - totalmente equivalente a Ethereum

Arquitectura:

• Totalmente equivalente a Ethereum sin cambiar ninguna parte del entorno del sistema Ethereum.
• No es necesario reemplazar Hashes, State Trie, Transactions Trie, Precompiles y cualquier otra lógica de consenso.
• Su objetivo es ser totalmente compatible con las aplicaciones existentes, y los desarrolladores pueden copiar aplicaciones en el pasado sin problemas.

ventaja:

• es el esquema más compatible entre todos los tipos de ZK Rollup. Por lo tanto, también es la solución más amigable para los desarrolladores, ya que les permite implementar códigos existentes en L2 sin fricción (sin modificaciones), porque toda la lógica de consenso y el entorno del sistema son completamente equivalentes a Ethereum.
• Es muy consistente con la dirección de exploración y expansión de Ethereum en sí, porque la exploración en Type1 zkEVM se puede introducir en Ethereum sin fricción en el futuro, lo que hace que Ethereum L1 sea más escalable.
• Permite que Rollup copie sin fricción la infraestructura Ethereum masiva existente (p. ej.: el cliente de ejecución de Ethereum se puede usar para generar y procesar bloques Rollup, exploradores de bloques existentes y generación de bloques de la manera original y otras herramientas también se pueden implementar en L2 sin problemas ).
• Capacidad para validar bloques de Ethereum como lo hace Ethereum hoy, o más precisamente el lado de la capa de ejecución (incluida toda la ejecución de transacciones, contratos inteligentes y lógica de cuenta, pero no la lógica de consenso de Beacon Chain por ahora).
• Como se mencionó anteriormente, un valor importante de ser completamente equivalente a Ethereum es que puede aprovechar el enorme efecto de red existente de Ethereum y la ecología madura y compleja.

defecto:

• Los problemas que enfrenta Ethereum al integrar pruebas de conocimiento cero también los enfrentan los esquemas de Tipo 1 (después de todo, es equivalente a Ethereum, y Ethereum no fue diseñado originalmente para la función zk).
• El mayor problema es el tiempo que lleva generar las pruebas. Para resolver este problema, las principales soluciones en la industria en la actualidad son: probar a través de una ingeniosa paralelización a gran escala de la ingeniería, o acelerar a través de la optimización del hardware.

Proyectos convencionales:

• Equipo de Ethereum Foundation PSE (Privacy and Scaling Explorations, privacidad y expansión)
• Taiko: se actualizó a la red de prueba Alpha-4 en julio de este año y se espera que lance la red principal a principios de 2024. El proyecto Taiko ha priorizado la descentralización y la compatibilidad desde el principio, y actualmente es el primer y único ZK Rollup en implementar un proponente descentralizado.

Type2 zkEVM: totalmente compatible con la máquina virtual EVM Ethereum

Arquitectura:

• Esforzarse por ser totalmente compatible con EVM Ethereum Virtual Machine, pero no equivalente a Ethereum.
• En comparación con el entorno operativo de Ethereum, este tipo de zkEVM realiza principalmente algunas modificaciones en la estructura de bloques, la estructura de datos del árbol de estado, la lógica de precios de la tarifa del gas (retarificación según la compatibilidad con zk) y almacenamiento de datos, para que las pruebas verificadas por zk sean más rápidas y económicas de generar.
• El objetivo es ser lo más compatible posible con la gran mayoría de las aplicaciones existentes, y algunas requieren alguna modificación.

ventaja:

• Al volver a fijar el precio de la tarifa del gas (cuanto más código de operación hostil a ZK sea más costoso, y viceversa), y al eliminar parte de la pila de Ethereum hostil a ZK, proporciona un tiempo de verificación más rápido que el Tipo 1.
• Type2 puede ser compatible con la mayoría de las aplicaciones Ethereum existentes, por lo que la mayoría de los desarrolladores y usuarios básicamente no sienten fricción.
• Aunque es imposible usar Ethereum directamente para ejecutar el cliente sin modificaciones, aún puede admitir las herramientas de depuración de EVM existentes y otra infraestructura de desarrollo a través de alguna depuración. Por lo tanto, aún puede aprovechar en gran medida la ecología próspera existente de Ethereum.

defecto:

• El impacto de cambiar el entorno de ejecución es pequeño, pero aún existen problemas potenciales de desarrollo a mediano y largo plazo. Por ejemplo, reemplazar el hash Ethereum de uso común (Keccak) con otros valores hash compatibles con zk (como Poseidon) puede causar que aquellas aplicaciones que dependen de los valores hash Keccak (que involucran datos históricos) (como: cross-chain puentes). Principio general: el puente de cadena cruzada no es una comunicación en tiempo real, por lo general, usted hace un comportamiento en la cadena A, como lo que se ha quemado; desea hacer un comportamiento correspondiente en la cadena B, qué falsificar ... La esencia es que estás en la cadena B Es necesario probar los datos históricos de la cadena A, por lo que implicará el uso de Keccak para probar los datos históricos) Después de migrar a proyectos de tipo Tipo 2, habrá problemas de incompatibilidad (no se puede usar, o quedarse sin resultados diferentes).
• Cambios en las reglas de fijación de precios de tarifas de gas (la intención original es "guiar" a los desarrolladores para reducir el uso de códigos de operación hostiles a zk al volver a fijar el precio de los códigos de operación en función de la compatibilidad con zk), para tarifas de gas que ya se han llevado a cabo en los contratos optimizados de Ethereum e incluso las herramientas de optimización de tarifas de gas en Ethereum pueden causar problemas.
• Aunque estas modificaciones han mejorado aún más la eficiencia de la cámara de pruebas en comparación con el zkEVM de tipo 1, el tiempo de prueba sigue siendo una desventaja relativa en comparación con el zkEVM de tipo 4.

Proyectos convencionales:

• Scroll: La red de prueba Pre-Alpha se lanzará en septiembre de 2022, la red de prueba Alpha se lanzará en febrero de 2023 y se espera que la red principal se lance en agosto de 2023. Cuando se lanzó la red de prueba, pertenecía a Type3 zkEVM, pero está mejorando gradualmente la compatibilidad con EVM y haciendo la transición a Type2 zkEVM.
• Polygon zkEVM (solución ZK Rollup del equipo Polygon): en marzo de 2023, se lanzará la versión Beta de la red principal. Pertenece a Type3 zkEVM cuando se conecta, pero actualmente está en transición a Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - casi compatible con la máquina virtual EVM Ethereum

Arquitectura:

• Vitalik declaró en su artículo de blog de 2022 que Type3 zkEVM es más como una transición (transición a Type2/1 al aumentar la compatibilidad; o transición a Type4 al reducir la compatibilidad y mejorar la compatibilidad con zk).
• Casi compatible con EVM Ethereum Virtual Machine. Al sacrificar aún más la compatibilidad, su zkEVM es más fácil de desarrollar y las pruebas zk se generan más rápido.
• Se eliminaron más funciones que eran difíciles de implementar en zkEVM (como las funciones de precompilación).
• Hay mayores diferencias en el trato con el código de contrato, la memoria o la pila.
• Apunta a ser compatible con la mayoría de las aplicaciones existentes.

ventaja:

• En comparación con Type1 y Type2 zkEVM, este tipo es más compatible con zk y el tiempo de cálculo de la prueba de zk es más corto.
• Existen más aplicaciones Ethereum compatibles con zkEVM que Type4.

defecto:

• Comparado con Type1 y Type2 zkEVM, este tipo tiene mayor incompatibilidad y sacrificio de más elementos (más hostil para los desarrolladores de Ethereum). Esta es la razón por la cual la clase Type3 es más como una transición.Existe una alta probabilidad de que una solución en esta categoría haga la transición a la clase Type2 zkEVM al mejorar la compatibilidad.
• En comparación con la clase Type4, zkEVM demuestra ser más lento.

Proyectos convencionales:

• Scroll: La red de prueba Pre-Alpha se lanzará en septiembre de 2022, la red de prueba Alpha se lanzará en febrero de 2023 y se espera que la red principal se lance en agosto de 2023. Scroll pertenecía a este tipo hace un año, pero ahora se está desarrollando hacia Type2 zkEVM al mejorar la compatibilidad de Ethereum.
• Polygon zkEVM (solución ZK Rollup del equipo Polygon): la versión Beta de mainnet se lanzará en marzo de 2023. Pertenece a Type3 zkEVM cuando se conecta, pero actualmente está en transición a Type2 zkEVM.

Lenguaje de alto nivel compatible con Type4 zkEVM

Arquitectura:

• Esta clase en realidad pertenece a zkVM (Máquina virtual a prueba de conocimiento cero, no Máquina virtual Ethereum a prueba de conocimiento cero).
• Puede entenderse como compatibilidad a nivel de lenguaje de programación. La lógica general es: los desarrolladores pueden continuar escribiendo contratos inteligentes en el lenguaje de programación que están acostumbrados a usar en Ethereum (como Solidity). Este tipo de proyecto usará un compilador para convertir este lenguaje de programación en su código legible personalizado (por ejemplo, Starkware usa el compilador Warp para convertir el código de Solidity en el código de bytes de Cairo; zkSync usa el compilador LLVM para convertir el código de Solidity en su LLVM-IR personalizado ) compilados y ejecutados en sus entornos personalizados (como Cairo VM de Starknet y Sync VM de zkSync).
• El objetivo es bajo costo, alta eficiencia y máxima amabilidad a prueba de conocimiento cero.

ventaja:

• Tiempo de verificación muy rápido.
• Compilar directamente desde un lenguaje de alto nivel puede reducir considerablemente los costos (tiempo, dinero y esfuerzo computacional).
• Reducir el umbral técnico para convertirse en certificador y aumentar el grado de descentralización.
• Este tipo de zkEVM puede admitir de forma nativa Abstracción de cuenta mediante el uso de su máquina virtual personalizada. Debido a que la cadena equivalente de EVM no puede admitir de forma nativa la abstracción de cuentas, debe implementarse a través del ERC-4337 de Ethereum.

defecto:

• Una gran cantidad de aplicaciones Ethereum existentes no se pueden copiar en este tipo de zkVM, o habrá problemas durante el proceso de copia: por ejemplo, la dirección del contrato en el sistema zkVM de tipo 4 puede ser diferente de la dirección en el EVM; Tipo 4 tipo zkEVM No es compatible con el código de bytes EVM escrito a mano (y muchas aplicaciones actualmente usan el código de bytes EVM escrito a mano para ahorrar tarifas de gasolina); (se mencionó anteriormente que este tipo es compatible con el nivel de lenguaje de código Solidity a través del compilador) su compilador sí Algunas funciones de Solidity no son compatibles.
• Los desarrolladores de Ethereum necesitan hacer ajustes más complejos si quieren implementar sus aplicaciones en tales proyectos. Por lo tanto, en comparación con los tipos anteriores de zkEVM, la facilidad de desarrollo de este tipo de proyecto es relativamente baja, lo que puede afectar el desarrollo de la ecología y la velocidad de iteración de la tecnología.
• Es extremadamente difícil aprovechar la ecología y los efectos de red complejos y prósperos existentes de Ethereum.

Proyectos convencionales:

• zkSync Era (la solución ZK Rollup creada por el equipo de Matter Labs): zkSync Lite (zkSync 1.0) se lanzará en junio de 2020. Admite principalmente escenarios de pago simple (pago) e intercambio de activos (swap), y no admite contratos inteligentes compatibles con EVM, zkSync Era (zkSync 2.0) se lanzará en marzo de 2023. La compatibilidad en el nivel de idioma de alto nivel se puede lograr a través de la arquitectura anterior. El objetivo de zkSync no es la compatibilidad con EVM, sino aumentar la velocidad de generación de prueba de conocimiento cero.
• Starknet (solución ZK Rollup creada por el equipo de Starkware): la red principal se lanzará en noviembre de 2021 y se actualizó a v0.12.0 en julio de este año. Pertenece a Type4 zkEVM y el objetivo no es compatible con EVM. Pero actualmente hay proyectos como Kakarot, con el objetivo de hacer que Starknet alcance un nivel de compatibilidad similar al Tipo 2.5-3 zkEVM).

Según la clasificación de Vitalik de diferentes zkEVM en 2022, combinada con el progreso de cada proyecto (a agosto de 2023), podemos resumir brevemente con la siguiente figura:

Clasificación de los principales proyectos ZK Rollup

Todo tipo de proyectos principales de zkEVM

Cuadro comparativo de proyectos consolidados ZK convencionales

Vitalik concluyó al final de su artículo: "Personalmente, espero que con el tiempo, a través de la mejora de zkEVM combinada con la mejora de Ethereum mismo, haga que (Ethereum) sea más amigable con ZK-SNARK, y eventualmente todo será Clases tipo 1.

En ese futuro, tendremos múltiples implementaciones de zkEVM que se pueden usar tanto para ZK Rollup (escalado de conocimiento cero) como para validar la propia cadena Ethereum. En teoría, no es necesario que Ethereum tenga una especificación zkEVM única y estandarizada para el uso de L1 (primera capa); diferentes clientes pueden optar por usar diferentes pruebas, por lo que podemos seguir beneficiándonos de la redundancia a nivel de código.

Sin embargo, pasará bastante tiempo antes de que ese futuro se pueda realizar. Al mismo tiempo, también veremos mucha innovación en la expansión de Ethereum (en sí) y los diferentes caminos de ZK Rollup basados en Ethereum. "

Al mismo tiempo, se debe enfatizar que aunque el método de clasificación zkEVM principal en el mercado es la clasificación lanzada por Vitalik en 2022 (citada en este artículo), también existen otros estándares de clasificación. Y no importa cómo se clasifiquen, no existe una distinción absoluta entre estos tipos de zkEVM. Son solo una compensación entre compatibilidad y velocidad: Type1 zkEVM tiene la mayor compatibilidad con Ethereum, pero demuestra ser más lento (en la pista ZK Rollup); Type4 zkEVM es menos compatible con Ethereum, pero la verificación es más rápida.

Por supuesto, la compatibilidad y la velocidad de zkEVM no son en realidad los únicos indicadores para que los desarrolladores consideren qué ZK Rollup debe usarse para implementar aplicaciones. Hay muchos otros factores que pueden influir en su elección, como por ejemplo:

Descentralización del ordenamiento de transacciones L2: Si el secuenciador/proponente está descentralizado o no, esto afecta directamente la complejidad de los participantes ecológicos y la seguridad de toda la red;

Tarifas: qué tokens se utilizan para pagar tarifas y cuál es el modelo económico de tokens de una cadena pública;

Reglas para la generación de pruebas: mecanismo de incentivos para probadores, estándar de hardware para acelerar la generación de pruebas;

Alojamiento propio: ¿Existe un mecanismo claro para garantizar que los activos de los usuarios aún puedan recuperarse en L1 cuando ocurre un accidente en L2?

Disponibilidad de datos: el costo de la disponibilidad completa de datos es naturalmente más alto. ¿Es aceptable aceptar el modo de disponibilidad de datos de menor costo adoptado por algunos ZK Rollups?

Sin embargo, dado que la mayoría de los proyectos ZK Rollup de uso general aún se encuentran en la etapa de red de prueba, muchos de los factores anteriores no se pueden comparar horizontalmente.

Finalmente, el tipo de cualquier proyecto zkEVM no es estático. Con la exploración de varios esquemas en zkEVM, e incluso la mejora del mismo Ethereum, es posible que todos los esquemas puedan eventualmente lograr el efecto de Tipo 1 zkEVM. En ese momento, tendremos múltiples implementaciones de zkEVM, tanto para ZK Rollups como para validar la propia cadena Ethereum.

Hasta entonces, esperemos ver una innovación continua en diferentes caminos para escalar Ethereum y ZK Rollup.