Penulis: RJ; Sumber: Penulis Twitter @0xRJ_eth

Perkenalan

Pembaruan utama Ethereum, Peningkatan Cancun-Deneb, diharapkan akan diterapkan pada musim gugur dan musim dingin tahun 2023. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan skalabilitas, keamanan, dan ketersediaan jaringan Ethereum, sekaligus mengurangi gas dari jaringan lapis kedua.biaya. Oleh karena itu, jika berhasil diterapkan, ini akan secara langsung menguntungkan ekologi L2 Rollups dari Ethereum, dan bahkan diharapkan dapat mendorong pecahnya seluruh jalur L2.

Di jalur ekspansi L2, skema ekspansi bukti tanpa pengetahuan (ZK Rollups) dengan kinerja kompresi data yang sangat baik telah dianggap sebagai skema inti Ethereum jangka menengah dan panjang. Pada tahun 2022, pendiri Ethereum, Vitalik, membagi ZK Rollups menjadi 4 tipe berbeda sesuai dengan kompatibilitasnya dengan mesin virtual EVM (Ethereum Virtual Machine) Ethereum, dan menetapkan standar dasar untuk tipe zkEVM.

Posting ini sangat terinspirasi oleh taksonomi mani Vitalik yang disebutkan di atas. Setelah satu tahun pengembangan, bidang ini telah membuat kemajuan yang signifikan. Artikel ini bertujuan untuk memberikan pembaruan trek dan interpretasi yang lebih detail (ramah untuk pemula) dengan logika yang jelas dan bahasa yang ringkas, berdasarkan wawasan Vitalik.

Apa itu EVM?

EVM (Ethereum Virtual Machine) adalah mesin virtual blockchain Turing-lengkap pertama. Ini dapat dipahami sebagai lingkungan runtime kode di Ethereum, yang secara khusus digunakan untuk mengeksekusi kontrak pintar yang diterapkan di jaringan Ethereum. Melalui EVM, kontrak pintar dapat mewujudkan fungsi otomatis pada jaringan terdesentralisasi.

Sebagai mesin virtual blockchain paling terbukti yang dirilis pada tahun 2015, EVM jelas merupakan infrastruktur yang sangat penting bagi Ethereum. Bahkan ketika menilai blockchain lain, kompatibilitas EVM sudah menjadi dimensi pertimbangan yang penting, karena kompatibilitas EVM tidak hanya mewakili lingkungan eksekusi kontrak pintar, perangkat Ethereum yang tersedia, tetapi juga efek jaringan yang besar dan ekologi yang matang dan kompleks.

Namun, pada awal desain EVM, tidak terbayangkan bahwa ZK Rollup L2 suatu hari nanti akan menjadi solusi inti dari ekspansi Ethereum, sehingga desain EVM tidak dianggap ramah terhadap bukti tanpa pengetahuan. Hal ini membuat sangat sulit untuk membangun EVM (zkEVM) ramah bukti tanpa pengetahuan.

Apa itu zkEVM?

Karena kesulitan dalam kompatibilitas antara Zero Knowledge Proof dan Ethereum Virtual Machine (EVM), ZK Rollup awal tidak mendukung EVM. Mereka umumnya tidak memiliki kemampuan untuk mengeksekusi kontrak pintar (atau mendukung mesin virtual khusus), sehingga mereka terbatas pada skenario spesifik yang relatif sederhana: seperti pertukaran token (swap) dan pembayaran (pembayaran).

Untuk mengatasi masalah ini, banyak organisasi dan peneliti fokus pada pembuatan zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), yang, seperti namanya, menghasilkan bukti tanpa pengetahuan untuk pelaksanaan (proses dan hasil) kontrak pintar di EVM.

Dengan peningkatan kepastian skema ekspansi ZK Rollup dan kemajuan teknologi, berbagai proyek ekspansi zk telah menciptakan masa depan yang berbeda berdasarkan kompromi antara Kompatibilitas dan Kinerja (Membuktikan Waktu untuk menghasilkan bukti tanpa pengetahuan). dengan perhitungan bukti tanpa pengetahuan.

Berbagai jenis zkEVM:

Sumber: Blog Vitalik "Berbagai jenis ZK-EVM"

Pada tahun 2022, Vitalik menerbitkan sebuah artikel yang menjelaskan "berbagai jenis zkEVM", dan secara kasar mengklasifikasikan dan membandingkan proyek perluasan zk di pasar.

Selanjutnya, mari kita gunakan bahasa sederhana dan logika yang jelas untuk memilah jenis, arsitektur teknis, dan kelebihan dan kekurangan masing-masing zkEVM.

ZkEVM kelas Type1: sepenuhnya setara dengan Ethereum

ZkEVM kelas Type2: sepenuhnya kompatibel dengan mesin virtual EVM Ethereum (dulu ada kelas Type2.5, tetapi sekarang tampaknya pada dasarnya terintegrasi dengan kelas Type2)

ZkEVM kelas Type3: Hampir kompatibel dengan mesin virtual EVM Ethereum

ZkEVM kelas Type4: Kompatibel dengan bahasa tingkat tinggi

Tipe1 kelas zkEVM - sepenuhnya setara dengan Ethereum

Arsitektur:

• Sepenuhnya setara dengan Ethereum tanpa mengubah bagian mana pun dari lingkungan sistem Ethereum.
• Tidak perlu mengganti Hash, Trie Negara, Trie Transaksi, Prekompilasi, dan logika konsensus lainnya.
• Tujuannya adalah untuk sepenuhnya kompatibel dengan aplikasi yang ada, dan pengembang dapat menyalin aplikasi di masa lalu dengan mulus.

keuntungan:

• adalah skema yang paling kompatibel di antara semua jenis ZK Rollup. Oleh karena itu, ini juga merupakan solusi yang paling ramah bagi pengembang - memungkinkan pengembang untuk menerapkan kode yang ada ke L2 tanpa gesekan (tanpa modifikasi), karena semua logika konsensus dan lingkungan sistem sepenuhnya setara dengan Ethereum.
• Ini sangat konsisten dengan arah eksplorasi dan ekspansi Ethereum itu sendiri, karena eksplorasi pada zkEVM Type1 dapat diperkenalkan ke Ethereum sendiri tanpa gesekan di masa mendatang, sehingga membuat Ethereum L1 sendiri lebih terukur.
• Ini memungkinkan Rollup untuk menyalin infrastruktur Ethereum masif yang ada dengan mudah (misalnya: klien eksekusi Ethereum dapat digunakan untuk menghasilkan dan memproses blok Rollup, penjelajah blok yang ada, dan pembuatan blok dengan cara asli dan alat lain juga dapat diterapkan ke L2 dengan lancar ).
• Kemampuan untuk memvalidasi blok Ethereum seperti yang dilakukan Ethereum hari ini, atau lebih tepatnya sisi lapisan eksekusi (termasuk semua eksekusi transaksi, kontrak pintar, dan logika akun, tetapi bukan logika konsensus Beacon Chain untuk saat ini).
• Seperti yang disebutkan sebelumnya, nilai utama untuk sepenuhnya setara dengan Ethereum adalah bahwa ia dapat memanfaatkan efek jaringan besar Ethereum yang ada dan ekologi yang matang dan kompleks.

kekurangan:

• Masalah yang dihadapi Ethereum dalam mengintegrasikan bukti tanpa pengetahuan juga dihadapi oleh skema Tipe1 (lagipula, ini setara dengan Ethereum, dan Ethereum pada awalnya tidak dirancang untuk fungsi zk).
• Masalah terbesar adalah waktu yang diperlukan untuk menghasilkan bukti. Untuk mengatasi masalah ini, solusi utama dalam industri saat ini adalah: membuktikan melalui paralelisasi rekayasa skala besar yang cerdik, atau mempercepat melalui pengoptimalan perangkat keras.

Proyek arus utama:

• Tim Ethereum Foundation PSE (Privasi dan Penskalaan Privasi dan Ekspansi).
• Taiko: Telah diperbarui ke jaringan uji Alpha-4 pada Juli tahun ini, dan diharapkan untuk meluncurkan jaringan utama pada awal 2024. Proyek Taiko telah memprioritaskan desentralisasi dan kompatibilitas sejak awal, dan saat ini merupakan ZK Rollup pertama dan satu-satunya yang menerapkan pengusul terdesentralisasi.

Type2 zkEVM - sepenuhnya kompatibel dengan mesin virtual EVM Ethereum

Arsitektur:

• Berusaha keras untuk sepenuhnya kompatibel dengan Mesin Virtual EVM Ethereum, tetapi tidak setara dengan Ethereum.
• Dibandingkan dengan lingkungan operasi Ethereum itu sendiri, jenis zkEVM ini terutama membuat beberapa modifikasi pada struktur blok, struktur data pohon negara, logika harga biaya gas (harga ulang sesuai dengan keramahan zk) dan penyimpanan data, sehingga bukti yang diverifikasi zk lebih cepat dan lebih murah untuk dibuat.
• Tujuannya adalah agar sekompatibel mungkin dengan sebagian besar aplikasi yang ada, dengan beberapa memerlukan beberapa modifikasi.

keuntungan:

• Dengan mengubah harga biaya bahan bakar (kode op yang lebih tidak bersahabat dengan ZK lebih mahal, dan sebaliknya), dan menghapus bagian tumpukan Ethereum yang tidak ramah dengan ZK, ini memberikan waktu verifikasi yang lebih cepat daripada Tipe1.
• Type2 dapat kompatibel dengan sebagian besar aplikasi Ethereum yang ada, sehingga sebagian besar pengembang dan pengguna pada dasarnya tidak merasakan gesekan.
• Meskipun tidak mungkin untuk langsung menggunakan Ethereum untuk mengeksekusi klien tanpa modifikasi, itu masih dapat mendukung alat debugging EVM yang ada dan infrastruktur pengembangan lainnya melalui beberapa debugging. Oleh karena itu, masih dapat memanfaatkan ekologi Ethereum yang makmur untuk sebagian besar.

kekurangan:

• Dampak perubahan lingkungan eksekusi kecil, namun masih ada potensi masalah pembangunan dalam jangka menengah dan panjang. Misalnya, mengganti hash Ethereum (Keccak) yang biasa digunakan dengan nilai hash ramah-zk lainnya (seperti Poseidon) dapat menyebabkan aplikasi tersebut bergantung pada nilai hash Keccak (melibatkan data historis) (seperti: cross-chain bridges) .Prinsip umum: cross-chain bridge bukan komunikasi real-time, biasanya Anda melakukan perilaku dalam rantai A - seperti apa yang telah dibakar; Anda ingin melakukan perilaku yang sesuai dalam rantai B - apa yang harus dipalsukan... Intinya adalah Anda berada di rantai B Perlu untuk membuktikan data historis dari rantai A, sehingga akan melibatkan penggunaan Keccak untuk membuktikan data historis) Setelah migrasi ke proyek tipe Tipe2, akan ada masalah ketidakcocokan (tidak dapat untuk menggunakan, atau kehabisan hasil yang berbeda).
• Perubahan pada aturan penetapan harga biaya gas (niat awal adalah untuk "memandu" pengembang untuk mengurangi penggunaan kode op zk-tidak ramah dengan menetapkan harga ulang kode op sesuai dengan keramahan zk mereka), untuk biaya gas yang telah dilakukan pada kontrak yang Dioptimalkan Ethereum dan bahkan alat pengoptimalan biaya gas di Ethereum dapat menyebabkan masalah.
• Meskipun modifikasi ini telah lebih meningkatkan efisiensi pembukti dibandingkan dengan zkEVM Tipe1, waktu pembuktian masih relatif merugikan dibandingkan dengan zkEVM Tipe4.

Proyek arus utama:

• Gulir: Jaringan uji Pra-Alfa akan diluncurkan pada September 2022, jaringan uji Alfa akan diluncurkan pada Februari 2023, dan jaringan utama diharapkan akan diluncurkan pada Agustus 2023. Ketika testnet diluncurkan, itu milik zkEVM Type3, tetapi secara bertahap meningkatkan kompatibilitas EVM dan beralih ke zkEVM Type2.
• Polygon zkEVM (solusi ZK Rollup tim Polygon): Pada Maret 2023, versi Beta dari jaringan utama akan diluncurkan. Itu milik Type3 zkEVM saat online, tetapi saat ini sedang bertransisi ke Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - hampir kompatibel dengan mesin virtual EVM Ethereum

Arsitektur:

• Vitalik menyatakan dalam artikel blognya tahun 2022 bahwa zkEVM Type3 lebih seperti transisi (transisi ke Type2/1 dengan meningkatkan kompatibilitas; atau transisi ke Type4 dengan mengurangi kompatibilitas dan meningkatkan keramahan zk).
• Hampir kompatibel dengan Mesin Virtual EVM Ethereum. Dengan lebih jauh mengorbankan kompatibilitas, zkEVM-nya lebih mudah dikembangkan dan bukti zk dibuat lebih cepat.
• Menghapus lebih banyak fungsi yang sulit diimplementasikan di zkEVM (seperti fungsi prekompilasi).
• Ada perbedaan yang lebih besar dalam menangani kode kontrak, memori, atau tumpukan.
• Bertujuan agar kompatibel dengan sebagian besar aplikasi yang ada.

keuntungan:

• Dibandingkan dengan zkEVM Tipe1 dan Tipe2, tipe ini lebih ramah zk, dan waktu perhitungan pembuktian zk lebih singkat.
• Ada lebih banyak aplikasi Ethereum yang kompatibel dengan zkEVM daripada Type4.

kekurangan:

• Dibandingkan dengan zkEVM Tipe1 dan Tipe2, tipe ini memiliki ketidakcocokan yang lebih tinggi dan pengorbanan lebih banyak elemen (lebih tidak bersahabat dengan pengembang Ethereum). Inilah mengapa kelas Type3 lebih seperti transisi. Ada kemungkinan besar bahwa solusi dalam kategori ini akan beralih ke zkEVM kelas Type2 dengan meningkatkan kompatibilitas.
• Dibandingkan dengan kelas Type4 zkEVM terbukti lebih lambat.

Proyek arus utama:

• Gulir: Jaringan uji Pra-Alfa akan diluncurkan pada September 2022, jaringan uji Alfa akan diluncurkan pada Februari 2023, dan jaringan utama diharapkan akan diluncurkan pada Agustus 2023. Gulir milik jenis ini setahun yang lalu, tetapi sekarang berkembang menuju Tipe2 zkEVM dengan meningkatkan kompatibilitas Ethereum.
• Polygon zkEVM (solusi ZK Rollup tim Polygon): Versi Beta mainnet akan diluncurkan pada Maret 2023. Itu milik Type3 zkEVM saat online, tetapi saat ini sedang bertransisi ke Type2 zkEVM.

Bahasa tingkat tinggi yang kompatibel dengan Type4 zkEVM

Arsitektur:

• Kelas ini sebenarnya milik zkVM (Mesin Virtual Bukti Nol Pengetahuan, bukan Mesin Virtual Ethereum Bukti Nol Pengetahuan).
• Dapat dipahami sebagai kompatibilitas pada level bahasa pemrograman. Logika umumnya adalah: pengembang dapat terus menulis kontrak pintar dalam bahasa pemrograman yang biasa mereka gunakan di Ethereum (seperti Solidity). Jenis proyek ini akan menggunakan kompiler untuk mengonversi bahasa pemrograman ini menjadi kode khusus yang dapat dibaca (misalnya, Starkware menggunakan kompiler Warp untuk mengonversi kode Soliditas menjadi bytecode Kairo; zkSync menggunakan kompiler LLVM untuk mengonversi kode Soliditas menjadi LLVM-IR kustomnya ) dikompilasi dan dijalankan di lingkungan khusus mereka (seperti VM Kairo Starknet dan VM Sinkronisasi zkSync).
• Tujuannya adalah biaya rendah, efisiensi tinggi, dan keramahan bukti tanpa pengetahuan maksimum.

keuntungan:

• Waktu verifikasi sangat cepat.
• Mengkompilasi langsung dari bahasa tingkat tinggi dapat sangat mengurangi biaya (waktu, uang, dan upaya komputasi).
• Turunkan ambang batas teknis untuk menjadi pemberi sertifikasi dan tingkatkan derajat desentralisasi.
• Jenis zkEVM ini dapat mendukung Abstraksi Akun dengan menggunakan mesin virtual kustomnya. Karena rantai ekuivalen EVM tidak dapat mendukung abstraksi akun secara native, rantai ini perlu diimplementasikan melalui ERC-4337 Ethereum.

kekurangan:

• Sejumlah besar aplikasi Ethereum yang ada tidak dapat disalin ke dalam zkVM jenis ini, atau akan ada masalah selama proses penyalinan: misalnya, alamat kontrak dalam sistem zkVM tipe 4 mungkin berbeda dari alamat di EVM; Tipe 4 tipe zkEVM Tidak mendukung bytecode EVM tulisan tangan (dan banyak aplikasi saat ini menggunakan bytecode EVM tulisan tangan untuk menghemat biaya gas); (disebutkan sebelumnya bahwa tipe ini kompatibel dengan tingkat bahasa kode Solidity melalui kompiler) kompilernya tidak Beberapa fitur Soliditas tidak didukung.
• Pengembang Ethereum perlu melakukan penyesuaian yang lebih kompleks jika mereka ingin menerapkan aplikasi mereka ke proyek semacam itu. Oleh karena itu, dibandingkan dengan jenis zkEVM sebelumnya, keramahan pengembang jenis proyek ini relatif rendah, yang dapat memengaruhi perkembangan ekologi dan kecepatan iterasi teknologi.
• Sangat sulit untuk mengambil keuntungan dari efek jaringan dan ekologi Ethereum yang kompleks dan makmur.

Proyek arus utama:

• zkSync Era (solusi ZK Rollup yang dibangun oleh tim Matter Labs): zkSync Lite (zkSync 1.0) akan diluncurkan pada Juni 2020. Ini terutama mendukung skenario pembayaran (pembayaran) dan pertukaran aset (swap) sederhana, dan tidak mendukung kontrak pintar yang Kompatibel dengan EVM, Era zkSync (zkSync 2.0) akan diluncurkan pada Maret 2023. Kompatibilitas pada tingkat bahasa tingkat tinggi dapat dicapai melalui arsitektur di atas. Tujuan zkSync bukanlah kompatibilitas EVM, tetapi untuk meningkatkan kecepatan pembuatan bukti tanpa pengetahuan.
• Starknet (solusi ZK Rollup yang dibuat oleh tim Starkware): Mainnet akan diluncurkan pada November 2021, dan telah diperbarui ke v0.12.0 pada Juli tahun ini. Itu sendiri milik Type4 zkEVM, dan targetnya tidak kompatibel dengan EVM. Tetapi saat ini ada proyek seperti Kakarot di dalamnya, yang bertujuan untuk membuat Starknet mencapai tingkat kompatibilitas yang mirip dengan zkEVM Tipe 2.5-3).

Berdasarkan klasifikasi zkEVM yang berbeda oleh Vitalik pada tahun 2022, digabungkan dengan kemajuan setiap proyek (per Agustus 2023), kami dapat meringkas secara singkat dengan gambar berikut:

Klasifikasi proyek ZK Rollup arus utama

Semua jenis proyek utama zkEVM

Bagan Perbandingan Proyek ZK Rollup Mainstream

Vitalik menyimpulkan di akhir artikelnya: "Secara pribadi, saya berharap seiring berjalannya waktu, melalui peningkatan zkEVM dikombinasikan dengan peningkatan Ethereum itu sendiri, ini akan membuat (Ethereum) lebih bersahabat dengan ZK-SNARK, dan pada akhirnya semuanya Kelas tipe1.

Di masa depan seperti itu, kami akan memiliki beberapa implementasi zkEVM yang dapat digunakan baik untuk ZK Rollup (skala tanpa pengetahuan) dan untuk memvalidasi rantai Ethereum itu sendiri. Secara teori, Ethereum tidak perlu memiliki satu spesifikasi zkEVM standar untuk penggunaan L1 (lapisan pertama); klien yang berbeda dapat memilih untuk menggunakan bukti yang berbeda, sehingga kami dapat terus mendapatkan keuntungan dari redundansi tingkat kode.

Namun, akan memakan waktu cukup lama sebelum masa depan seperti itu dapat direalisasikan. Pada saat yang sama, kita juga akan melihat banyak inovasi dalam perluasan Ethereum (itu sendiri) dan berbagai jalur ZK Rollup berdasarkan Ethereum. "

Pada saat yang sama, harus ditekankan bahwa meskipun metode klasifikasi zkEVM arus utama di pasaran adalah klasifikasi yang diluncurkan oleh Vitalik pada tahun 2022 (dikutip dalam artikel ini), ada juga standar klasifikasi lainnya. Dan tidak peduli bagaimana mereka diklasifikasikan, tidak ada perbedaan mutlak antara tipe zkEVM ini. Mereka hanyalah pertukaran antara kompatibilitas dan kecepatan: Type1 zkEVM memiliki kompatibilitas tertinggi dengan Ethereum, tetapi terbukti lebih lambat (di jalur ZK Rollup); Type4 zkEVM kurang kompatibel dengan Ethereum, Tetapi verifikasi lebih cepat.

Tentu saja, kompatibilitas dan kecepatan zkEVM sebenarnya bukan satu-satunya indikator bagi pengembang untuk mempertimbangkan ZK Rollup mana yang harus digunakan untuk menerapkan aplikasi. Ada banyak faktor lain yang dapat mempengaruhi pilihan mereka, seperti:

Tingkat desentralisasi pemesanan transaksi L2: apakah pengurut/pengusul terdesentralisasi, yang secara langsung memengaruhi kompleksitas peserta ekologis dan keamanan seluruh jaringan;

Biaya: Token mana yang digunakan untuk membayar biaya, dan apa model ekonomi token dari rantai publik;

Aturan untuk Pembuatan Bukti: Mekanisme insentif untuk pembukti, standar perangkat keras untuk mempercepat pembuatan bukti;

Self-hosting: Apakah ada mekanisme yang jelas untuk memastikan bahwa aset pengguna masih dapat dipulihkan di L1 saat terjadi kecelakaan di L2;

Ketersediaan Data: Biaya ketersediaan data lengkap secara alami lebih tinggi. Apakah dapat diterima untuk menerima mode ketersediaan data berbiaya lebih rendah yang diadopsi oleh beberapa ZK Rollups.

Namun, karena sebagian besar proyek ZK Rollup tujuan umum masih dalam tahap testnet, banyak faktor di atas tidak dapat dibandingkan secara horizontal.

Terakhir, jenis proyek zkEVM apa pun tidak statis. Dengan eksplorasi berbagai skema di zkEVM, dan bahkan peningkatan Ethereum itu sendiri, ada kemungkinan bahwa semua skema pada akhirnya dapat mencapai efek zkEVM Tipe 1. Pada saat itu kami akan memiliki beberapa implementasi zkEVM - baik untuk ZK Rollups dan untuk memvalidasi rantai Ethereum itu sendiri.

Sampai saat itu tiba, mari kita nantikan inovasi lanjutan di berbagai jalur untuk meningkatkan Ethereum dan ZK Rollup.