Auteur : RJ ; Source : Twitter de l'auteur @0xRJ_eth

Introduction

La mise à niveau majeure d'Ethereum, la mise à niveau Cancun-Deneb, devrait être mise en œuvre à l'automne et à l'hiver 2023. L'objectif principal est d'améliorer l'évolutivité, la sécurité et la disponibilité du réseau Ethereum, tout en réduisant considérablement le gaz du réseau de deuxième couche. Par conséquent, s'il est mis en œuvre avec succès, il bénéficiera directement à l'écologie L2 Rollups d'Ethereum, et on s'attend même à ce qu'il entraîne le déclenchement de l'ensemble de la piste L2.

Dans la voie d'expansion L2, le schéma d'extension sans connaissance (ZK Rollups) avec d'excellentes performances de compression des données a été considéré comme le schéma de base à moyen et long terme d'Ethereum. En 2022, le fondateur d'Ethereum, Vitalik, a divisé les ZK Rollups en 4 types différents en fonction de leur compatibilité avec la machine virtuelle Ethereum EVM (Ethereum Virtual Machine) et a établi la norme de base pour le type zkEVM.

Cet article a été fortement inspiré de la taxonomie séminale de Vitalik mentionnée ci-dessus. Après un an de développement, le domaine a fait des progrès significatifs. Cet article vise à fournir des mises à jour des pistes et des interprétations plus détaillées (conviviales pour les novices) avec une logique claire et un langage concis, basés sur les idées de Vitalik.

Qu'est-ce que l'EVM ?

EVM (Ethereum Virtual Machine) est la première machine virtuelle blockchain complète de Turing. Il peut être compris comme l'environnement d'exécution de code sur Ethereum, qui est spécialement utilisé pour exécuter des contrats intelligents déployés sur le réseau Ethereum. Grâce à EVM, les contrats intelligents peuvent réaliser des fonctions automatisées sur un réseau décentralisé.

En tant que machine virtuelle blockchain la plus éprouvée sortie en 2015, EVM est définitivement une infrastructure très importante pour Ethereum. Même lorsque l'on juge d'autres blockchains, la compatibilité EVM est déjà une dimension importante à prendre en compte, car la compatibilité EVM représente non seulement l'environnement d'exécution de contrat intelligent, l'ensemble d'outils Ethereum disponible, mais aussi l'énorme effet de réseau et l'écologie mature et complexe.

Cependant, au début de la conception d'EVM, on n'imaginait pas que ZK Rollup L2 deviendrait un jour la solution de base de l'expansion d'Ethereum, de sorte que la conception d'EVM n'envisageait pas d'être compatible avec les preuves à connaissance nulle. Cela rend très difficile la construction d'un EVM convivial pour la preuve à connaissance nulle (zkEVM).

Qu'est-ce que zkEVM ?

En raison de la difficulté de compatibilité entre Zero Knowledge Proof et Ethereum Virtual Machine (EVM), le premier ZK Rollup ne prenait pas en charge EVM. Ils n'ont généralement pas la capacité d'exécuter des contrats intelligents (ou de prendre en charge des machines virtuelles spéciales), ils sont donc limités à des scénarios spécifiques relativement simples : comme l'échange de jetons (swap) et le paiement (paiement).

Afin de résoudre ce problème, de nombreuses organisations et chercheurs se concentrent sur la création de zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), qui, comme son nom l'indique, génère des preuves à connaissance nulle pour l'exécution (processus et résultat) de contrats intelligents dans EVM.

Avec l'augmentation de la certitude du schéma d'expansion ZK Rollup et l'avancement de la technologie, divers projets d'expansion zk ont créé différents futurs basés sur les compromis entre compatibilité et performance (temps de preuve pour générer des preuves à connaissance nulle). avec un calcul de preuve à connaissance nulle.

Différents types de zkEVM :

Source : blog Vitalik "Les différents types de ZK-EVM"

En 2022, Vitalik a publié un article expliquant "différents types de zkEVM", et a grossièrement classé et comparé les projets d'expansion de zk sur le marché.

Ensuite, utilisons un langage clair et une logique claire pour trier les types, l'architecture technique et les avantages et inconvénients respectifs de zkEVM.

ZkEVM de classe Type1 : complètement équivalent à Ethereum

** Classe Type2 zkEVM ** : entièrement compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum (il y avait autrefois la classe Type2.5, mais il semble maintenant qu'elle soit essentiellement intégrée à la classe Type2)

ZkEVM de classe Type3 : presque compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum

Classe Type4 zkEVM : Compatible avec les langages de haut niveau

Classe Type1 zkEVM - entièrement équivalent à Ethereum

Architecture:

• Entièrement équivalent à Ethereum sans modifier aucune partie de l'environnement du système Ethereum.
• Il n'est pas nécessaire de remplacer Hashes, State Trie, Transactions Trie, Precompiles et toute autre logique de consensus.
• Son objectif est d'être entièrement compatible avec les applications existantes, et les développeurs peuvent copier les applications du passé en douceur.

avantage:

• est le schéma le plus compatible parmi tous les types de ZK Rollup. Par conséquent, c'est aussi la solution la plus conviviale pour les développeurs - permettant aux développeurs de déployer des codes existants sur L2 sans friction (sans modification), car toute la logique consensuelle et l'environnement système sont complètement équivalents à Ethereum.
• Il est très cohérent avec la direction d'exploration et d'expansion d'Ethereum lui-même, car l'exploration sur Type1 zkEVM peut être introduite dans Ethereum lui-même sans friction à l'avenir, rendant ainsi Ethereum L1 lui-même plus évolutif.
• Il permet à Rollup de copier sans friction l'infrastructure Ethereum massive existante (par exemple : le client d'exécution Ethereum peut être utilisé pour générer et traiter des blocs Rollup, des explorateurs de blocs existants et la génération de blocs de la manière originale et d'autres outils peuvent également être déployés sur L2 en douceur ).
• Possibilité de valider les blocs Ethereum comme le fait Ethereum aujourd'hui, ou plus précisément du côté de la couche d'exécution (y compris l'exécution de toutes les transactions, les contrats intelligents et la logique de compte, mais pas la logique de consensus Beacon Chain pour l'instant).
• Comme mentionné précédemment, une valeur majeure d'être complètement équivalent à Ethereum est qu'il peut tirer parti de l'énorme effet de réseau existant d'Ethereum et de son écologie mature et complexe.

lacune :

• Les problèmes rencontrés par Ethereum dans l'intégration des preuves à connaissance nulle sont également rencontrés par les schémas Type1 (après tout, c'est équivalent à Ethereum, et Ethereum n'a pas été conçu à l'origine pour la fonction zk).
• Le plus gros problème est le temps qu'il faut pour générer des preuves. Pour résoudre ce problème, les principales solutions de l'industrie à l'heure actuelle sont : prouver par une ingénieuse parallélisation à grande échelle de l'ingénierie, ou accélérer par l'optimisation du matériel.

## Projets grand public :

• Équipe Ethereum Foundation PSE (Privacy and Scaling Explorations privacy and expansion)
• Taiko : Il a été mis à jour vers le réseau de test Alpha-4 en juillet de cette année, et il devrait lancer le réseau principal au début de 2024. Le projet Taiko a donné la priorité à la décentralisation et à la compatibilité dès le début, et est actuellement le premier et le seul ZK Rollup à mettre en œuvre un proposant décentralisé.

Type2 zkEVM - entièrement compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum

Architecture:

• Efforcez-vous d'être entièrement compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum, mais pas équivalente à Ethereum.
• Par rapport à l'environnement d'exploitation d'Ethereum lui-même, ce type de zkEVM apporte principalement quelques modifications à la structure des blocs, à la structure des données de l'arbre d'état, à la logique de tarification des frais de gaz (réévaluation en fonction de la convivialité zk) et au stockage des données, afin que les preuves vérifiées par zk soient plus rapides et moins chères à générer.
• L'objectif est d'être le plus compatible possible avec la grande majorité des applications existantes, quelques-unes nécessitant quelques modifications.

avantage:

• En réévaluant les frais de gaz (le code opérationnel le plus hostile à ZK est plus cher, et vice versa) et en supprimant une partie de la pile Ethereum hostile à ZK, il offre un temps de vérification plus rapide que Type1.
• Type2 peut être compatible avec la plupart des applications Ethereum existantes, de sorte que la plupart des développeurs et des utilisateurs ne ressentent pratiquement aucune friction.
• Bien qu'il soit impossible d'utiliser directement Ethereum pour exécuter le client sans aucune modification, il peut toujours prendre en charge les outils de débogage EVM existants et d'autres infrastructures de développement grâce à un débogage. Par conséquent, il peut encore tirer parti de l'écologie prospère existante d'Ethereum dans une large mesure.

lacune :

• L'impact de la modification de l'environnement d'exécution est faible, mais il existe toujours des problèmes de développement potentiels à moyen et long terme. Par exemple, le remplacement du hachage Ethereum couramment utilisé (Keccak) par d'autres valeurs de hachage compatibles avec zk (telles que Poséidon) peut entraîner les applications qui s'appuient sur les valeurs de hachage Keccak (impliquant des données historiques) (telles que: cross-chain ponts). Principe général : le pont inter-chaînes n'est pas une communication en temps réel, généralement vous faites un comportement dans la chaîne A - comme ce qui a été brûlé ; vous voulez faire un comportement correspondant dans la chaîne B - ce qu'il faut forger... L'essentiel est que vous êtes dans la chaîne B Il est nécessaire de prouver les données historiques de la chaîne A, cela impliquera donc l'utilisation de Keccak pour prouver les données historiques) Après la migration vers des projets de type Type2, il y aura des problèmes d'incompatibilité (impossible à utiliser ou à court de résultats différents).
• Modifications des règles de tarification des frais de gaz (l'intention initiale est de "guider" les développeurs pour qu'ils réduisent l'utilisation de codes d'exploitation hostiles à zk en réévaluant les codes d'exploitation en fonction de la convivialité avec zk), pour les frais de gaz qui ont déjà été appliqués sur Ethereum Les contrats optimisés et même les outils d'optimisation des frais de gaz sur Ethereum peuvent causer des problèmes.
• Bien que ces modifications aient encore amélioré l'efficacité du prouveur par rapport au Type1 zkEVM, le temps de preuve reste un désavantage relatif par rapport au Type4 zkEVM.

## Projets grand public :

• Scroll : Le réseau de test pré-alpha sera lancé en septembre 2022, le réseau de test Alpha sera lancé en février 2023 et le réseau principal devrait être lancé en août 2023. Lorsque le testnet a été lancé, il appartenait à Type3 zkEVM, mais il améliore progressivement la compatibilité EVM et passe à Type2 zkEVM.
• Polygon zkEVM (solution ZK Rollup de l'équipe Polygon) : en mars 2023, la version bêta du réseau principal sera lancée. Il appartient à Type3 zkEVM lorsqu'il est en ligne, mais il est actuellement en train de passer à Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - presque compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum

Architecture:

• Vitalik a déclaré dans son article de blog de 2022 que Type3 zkEVM ressemble plus à une transition (transition vers Type2/1 en augmentant la compatibilité ; ou transition vers Type4 en réduisant la compatibilité et en améliorant la convivialité zk).
• Presque compatible avec la machine virtuelle EVM Ethereum. En sacrifiant davantage la compatibilité, son zkEVM est plus facile à développer et les preuves zk sont générées plus rapidement.
• Suppression de plusieurs fonctions difficiles à implémenter dans zkEVM (telles que les fonctions de précompilation).
• Il existe de plus grandes différences dans le traitement du code de contrat, de la mémoire ou de la pile.
• Visez à être compatible avec la plupart des applications existantes.

avantage:

• Comparé à Type1 et Type2 zkEVM, ce type est plus convivial pour zk et le temps de calcul de la preuve zk est plus court.
• Il existe plus d'applications Ethereum existantes compatibles avec zkEVM que Type4.

lacune :

• Comparé à Type1 et Type2 zkEVM, ce type a une plus grande incompatibilité et sacrifie plus d'éléments (plus hostile aux développeurs Ethereum). C'est pourquoi la classe Type3 ressemble plus à une transition. Il y a une forte probabilité qu'une solution de cette catégorie passe à la classe Type2 zkEVM en améliorant la compatibilité.
• Comparé à la classe Type4, zkEVM s'avère plus lent.

## Projets grand public :

• Scroll : Le réseau de test pré-alpha sera lancé en septembre 2022, le réseau de test Alpha sera lancé en février 2023 et le réseau principal devrait être lancé en août 2023. Scroll appartenait à ce type il y a un an, mais maintenant il évolue vers Type2 zkEVM en améliorant la compatibilité d'Ethereum.
• Polygon zkEVM (solution ZK Rollup de l'équipe Polygon) : la version bêta du réseau principal sera lancée en mars 2023. Il appartient à Type3 zkEVM lorsqu'il est en ligne, mais il est actuellement en train de passer à Type2 zkEVM.

Langage de haut niveau compatible Type4 zkEVM

Architecture:

• Cette classe appartient en fait à zkVM (Zero-Knowledge Proof Virtual Machine, pas Zero-Knowledge Proof Ethereum Virtual Machine).
• Peut être compris comme une compatibilité au niveau du langage de programmation. La logique générale est la suivante : les développeurs peuvent continuer à écrire des contrats intelligents dans le langage de programmation qu'ils ont l'habitude d'utiliser sur Ethereum (comme Solidity). Ce type de projet utilisera un compilateur pour convertir ce langage de programmation en son code lisible personnalisé (par exemple, Starkware utilise le compilateur Warp pour convertir le code Solidity en bytecode Cairo ; zkSync utilise le compilateur LLVM pour convertir le code Solidity en son LLVM-IR personnalisé ) compilés et exécutés dans leurs environnements personnalisés (tels que Cairo VM de Starknet et Sync VM de zkSync).
• L'objectif est un faible coût, une efficacité élevée et une convivialité maximale sans connaissance.

avantage:

• Temps de vérification très rapide.
• Compiler directement à partir d'un langage de haut niveau peut réduire considérablement les coûts (temps, argent et effort de calcul).
• Abaisser le seuil technique pour devenir certificateur et augmenter le degré de décentralisation.
• Ce type de zkEVM peut prendre en charge nativement l'abstraction de compte en utilisant sa machine virtuelle personnalisée. Étant donné que la chaîne équivalente EVM ne peut pas prendre en charge nativement l'abstraction de compte, elle doit être implémentée via l'ERC-4337 d'Ethereum.

lacune :

• Un grand nombre d'applications Ethereum existantes ne peuvent pas être copiées dans ce type de zkVM, ou il y aura des problèmes pendant le processus de copie : par exemple, l'adresse du contrat dans le système zkVM de type 4 peut être différente de l'adresse dans le EVM; Type 4 type zkEVM Ne prend pas en charge le bytecode EVM manuscrit (et de nombreuses applications utilisent actuellement le bytecode EVM manuscrit pour économiser les frais de gaz); (il a été mentionné précédemment que ce type est compatible avec le niveau de langage de code Solidity via le compilateur) son compilateur le fait Certaines fonctionnalités de Solidity ne sont pas prises en charge.
• Les développeurs d'Ethereum doivent effectuer des ajustements plus complexes s'ils souhaitent déployer leurs applications sur de tels projets. Par conséquent, par rapport aux types précédents de zkEVM, la convivialité pour les développeurs de ce type de projet est relativement faible, ce qui peut affecter le développement de l'écologie et la vitesse d'itération de la technologie.
• Il est extrêmement difficile de tirer parti de l'écologie complexe et prospère existante d'Ethereum et des effets de réseau.

## Projets grand public :

• zkSync Era (la solution ZK Rollup construite par l'équipe Matter Labs) : zkSync Lite (zkSync 1.0) sera lancé en juin 2020. Il prend principalement en charge les scénarios de paiement simple (paiement) et d'échange d'actifs (swap), et ne prend pas en charge les contrats intelligents compatibles EVM ; zkSync Era (zkSync 2.0) sera lancé en mars 2023. La compatibilité au niveau de langage de haut niveau peut être obtenue grâce à l'architecture ci-dessus. L'objectif de zkSync n'est pas la compatibilité EVM, mais d'augmenter la vitesse de génération de la preuve à connaissance zéro.
• Starknet (solution ZK Rollup construite par l'équipe Starkware) : le réseau principal sera lancé en novembre 2021 et il a été mis à jour vers la v0.12.0 en juillet de cette année. Il appartient lui-même à Type4 zkEVM, et la cible n'est pas compatible EVM. Mais il y a actuellement des projets comme Kakarot dessus, visant à faire en sorte que Starknet atteigne un niveau de compatibilité similaire au Type 2.5-3 zkEVM).

Sur la base de la classification de Vitalik des différents zkEVM en 2022, combinée à l'avancement de chaque projet (en août 2023), nous pouvons résumer brièvement avec la figure suivante :

Classification des principaux projets ZK Rollup

Toutes sortes de projets grand public zkEVM

Tableau de comparaison des projets de cumul ZK grand public

Vitalik a conclu à la fin de son article: "Personnellement, j'espère qu'avec le temps, grâce à l'amélioration de zkEVM combinée à l'amélioration d'Ethereum lui-même, cela rendra (Ethereum) plus convivial pour ZK-SNARK, et finalement tout Les deux seront Cours de type1.

Dans un tel avenir, nous aurons plusieurs implémentations de zkEVM qui pourront être utilisées à la fois pour le ZK Rollup (mise à l'échelle sans connaissance) et pour valider la chaîne Ethereum elle-même. En théorie, Ethereum n'a pas besoin d'avoir une spécification zkEVM unique et standardisée pour une utilisation L1 (première couche) ; différents clients peuvent choisir d'utiliser différentes preuves, afin que nous puissions continuer à bénéficier de la redondance au niveau du code.

Cependant, il faudra un certain temps avant qu'un tel avenir puisse se concrétiser. Dans le même temps, nous verrons également de nombreuses innovations dans les différentes voies de la mise à l'échelle (auto) d'Ethereum et du ZK Rollup basé sur Ethereum. "

Dans le même temps, il convient de souligner que bien que la méthode de classification zkEVM dominante sur le marché soit la classification lancée par Vitalik en 2022 (citée dans cet article), il existe également d'autres normes de classification. Et peu importe comment ils sont classés, il n'y a pas de distinction absolue entre ces types de zkEVM. Ils ne sont qu'un compromis entre compatibilité et vitesse : Type1 zkEVM a la plus grande compatibilité avec Ethereum, mais s'avère plus lent (dans la piste ZK Rollup) ; Type4 zkEVM est moins compatible avec Ethereum, mais la vérification est plus rapide.

Bien sûr, la compatibilité et la vitesse de zkEVM ne sont pas les seuls indicateurs permettant aux développeurs de déterminer quel ZK Rollup doit être utilisé pour déployer des applications. De nombreux autres facteurs peuvent influencer leur choix, tels que :

Décentralisation de l'ordonnancement des transactions L2 : que le séquenceur/proposant soit décentralisé ou non, cela affecte directement la complexité des acteurs écologiques et la sécurité de l'ensemble du réseau ;

Frais : quels jetons sont utilisés pour payer les frais, et quel est le modèle économique des jetons d'une chaîne publique ;

Règles pour la génération de preuve : mécanisme incitatif pour le prouveur, norme matérielle pour accélérer la génération de preuve ;

Auto-hébergement : Existe-t-il un mécanisme clair pour garantir que les actifs des utilisateurs peuvent toujours être récupérés en L1 lorsqu'un accident se produit en L2 ?

Disponibilité des données : le coût de la disponibilité complète des données est naturellement plus élevé. Est-il acceptable d'accepter le mode de disponibilité des données à moindre coût adopté par certains ZK Rollups ?

Cependant, étant donné que la plupart des projets ZK Rollup à usage général sont encore au stade du testnet, bon nombre des facteurs ci-dessus ne peuvent pas être comparés horizontalement.

Enfin, le type de tout projet zkEVM n'est pas statique. Avec l'exploration de divers schémas dans zkEVM, et même l'amélioration d'Ethereum lui-même, il est possible que tous les schémas puissent éventuellement atteindre l'effet du zkEVM de type 1. À ce stade, nous aurons plusieurs implémentations de zkEVM - à la fois pour les ZK Rollups et pour valider la chaîne Ethereum elle-même.

Jusque-là, attendons avec impatience de voir l'innovation continue sur différentes voies pour faire évoluer Ethereum et ZK Rollup.