Autor: RJ; Fonte: Autor Twitter @0xRJ_eth

Introdução

Espera-se que a principal atualização do Ethereum, o Cancun-Deneb Upgrade, seja implementado no outono e inverno de 2023. O objetivo principal é melhorar a escalabilidade, segurança e disponibilidade da rede Ethereum, reduzindo bastante o gás do taxa de rede de segunda camada. Portanto, se for implementado com sucesso, beneficiará diretamente a ecologia L2 Rollups do Ethereum, e espera-se até que impulsione o surto de toda a faixa L2.

Na faixa de expansão L2, o esquema de expansão à prova de conhecimento zero (ZK Rollups) com excelente desempenho de compactação de dados foi considerado o esquema central de médio e longo prazo do Ethereum. Em 2022, o fundador da Ethereum, Vitalik, dividiu ZK Rollups em 4 tipos diferentes de acordo com sua compatibilidade com a máquina virtual EVM (Ethereum Virtual Machine) Ethereum e estabeleceu o padrão básico para o tipo zkEVM.

Este post foi fortemente inspirado pela taxonomia seminal de Vitalik mencionada acima. Após um ano de desenvolvimento, o campo fez progressos significativos. Este artigo visa fornecer atualizações de trilha e interpretações mais detalhadas (amigável para iniciantes) com lógica clara e linguagem concisa, com base nos insights de Vitalik.

O que é EVM?

EVM (Ethereum Virtual Machine) é a primeira máquina virtual blockchain Turing-completa. Pode ser entendido como o ambiente de tempo de execução do código no Ethereum, que é especialmente usado para executar contratos inteligentes implantados na rede Ethereum. Por meio do EVM, os contratos inteligentes podem realizar funções automatizadas em uma rede descentralizada.

Como a máquina virtual blockchain mais comprovada lançada em 2015, a EVM é definitivamente uma infraestrutura muito importante para a Ethereum. Mesmo ao julgar outros blockchains, a compatibilidade EVM já é uma dimensão importante de consideração, porque a compatibilidade EVM representa não apenas o ambiente de execução de contrato inteligente, o conjunto de ferramentas Ethereum disponível, mas também o enorme efeito de rede e a ecologia madura e complexa.

No entanto, no início do projeto do EVM, não se imaginava que o ZK Rollup L2 se tornaria a solução central da expansão do Ethereum um dia, então o projeto do EVM não considerou ser amigável para provas de conhecimento zero. Isso torna muito difícil construir um EVM compatível com prova de conhecimento zero (zkEVM).

O que é zkEVM?

Devido à dificuldade de compatibilidade entre Zero Knowledge Proof e Ethereum Virtual Machine (EVM), o ZK Rollup inicial não suportava EVM. Eles geralmente não têm a capacidade de executar contratos inteligentes (ou suportar máquinas virtuais especiais), portanto, estão limitados a cenários específicos relativamente simples: como troca de token (swap) e pagamento (pagamento).

Para resolver esse problema, muitas organizações e pesquisadores se concentram na criação de zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), que, como o nome sugere, gera provas de conhecimento zero para a execução (processo e resultado) de contratos inteligentes em EVM.

Com o aumento da certeza do esquema de expansão ZK Rollup e o avanço da tecnologia, vários projetos de expansão zk criaram diferentes futuros com base nas compensações entre Compatibilidade e Desempenho (Proving Time para gerar provas de conhecimento zero). Execução EVM combinada com cálculo de prova de conhecimento zero.

Diferentes tipos de zkEVM:

Fonte: Vitalik blog "Os diferentes tipos de ZK-EVMs"

Em 2022, Vitalik publicou um artigo explicando "diferentes tipos de zkEVM" e classificou e comparou aproximadamente os projetos de expansão zk no mercado.

Em seguida, vamos usar linguagem simples e lógica clara para classificar os tipos, a arquitetura técnica e as respectivas vantagens e desvantagens do zkEVM.

Classe Type1 zkEVM: completamente equivalente ao Ethereum

Classe Type2 zkEVM: totalmente compatível com a máquina virtual EVM Ethereum (costumava haver a classe Type2.5, mas agora parece que está basicamente integrada à classe Type2)

Classe Type3 zkEVM: Quase compatível com a máquina virtual EVM Ethereum

Classe Type4 zkEVM: Compatível com linguagens de alto nível

Type1 class zkEVM - totalmente equivalente ao Ethereum

Arquitetura:

• Totalmente equivalente ao Ethereum sem alterar nenhuma parte do ambiente do sistema Ethereum.
• Não há necessidade de substituir Hashes, State Trie, Transactions Trie, Pré-compilações e qualquer outra lógica de consenso.
• Seu objetivo é ser totalmente compatível com os aplicativos existentes, e os desenvolvedores podem copiar aplicativos do passado sem problemas.

vantagem:

• é o esquema mais compatível entre todos os tipos de ZK Rollup. Portanto, também é a solução mais amigável para desenvolvedores - permitindo que os desenvolvedores implementem códigos existentes em L2 sem atrito (sem modificação), porque toda a lógica de consenso e ambiente de sistema são completamente equivalentes ao Ethereum.
• É altamente consistente com a direção de exploração e expansão do próprio Ethereum, porque a exploração no Type1 zkEVM pode ser introduzida no próprio Ethereum sem atrito no futuro, tornando assim o próprio Ethereum L1 mais escalável.
• Ele permite que o Rollup copie sem atrito a enorme infraestrutura Ethereum existente (por exemplo: o cliente de execução Ethereum pode ser usado para gerar e processar blocos Rollup, exploradores de blocos existentes e geração de blocos da maneira original e outras ferramentas também podem ser implantadas para L2 sem problemas ).
• Capacidade de validar blocos Ethereum como o Ethereum faz hoje, ou mais precisamente o lado da camada de execução (incluindo toda a execução de transações, contratos inteligentes e lógica de conta, mas não a lógica de consenso Beacon Chain por enquanto).
• Como mencionado anteriormente, um grande valor de ser completamente equivalente ao Ethereum é que ele pode tirar proveito do enorme efeito de rede existente do Ethereum e ecologia madura e complexa.

deficiência:

• Os problemas enfrentados pelo Ethereum na integração de provas de conhecimento zero também são enfrentados pelos esquemas Type1 (afinal, é equivalente ao Ethereum, e o Ethereum não foi originalmente projetado para a função zk).
• O maior problema é o tempo que leva para gerar as provas. Para resolver este problema, as principais soluções na indústria atualmente são: provar através de paralelização engenhosa em larga escala da engenharia, ou acelerar através da otimização de hardware.

Projetos convencionais:

• Equipe Ethereum Foundation PSE (Privacy and Scaling Explorations privacidade e expansão)
• Taiko: foi atualizado para a rede de teste Alpha-4 em julho deste ano e deve lançar a rede principal no início de 2024. O projeto Taiko priorizou a descentralização e a compatibilidade desde o início e é atualmente o primeiro e único ZK Rollup a implementar um proponente descentralizado.

Type2 zkEVM - totalmente compatível com a máquina virtual EVM Ethereum

Arquitetura:

• Esforce-se para ser totalmente compatível com EVM Ethereum Virtual Machine, mas não equivalente a Ethereum.
• Em comparação com o ambiente operacional do próprio Ethereum, esse tipo de zkEVM faz principalmente algumas modificações na estrutura do bloco, na estrutura de dados da árvore de estado, na lógica de preços da taxa de gás (reprecificação de acordo com a compatibilidade do zk) e no armazenamento de dados, para que as provas verificadas por zk sejam mais rápidas e baratas de gerar.
• O objetivo é ser o mais compatível possível com a grande maioria dos aplicativos existentes, sendo que alguns requerem alguma modificação.

vantagem:

• Ao reajustar o preço da taxa de gás (o código operacional mais hostil ao ZK é mais caro e vice-versa) e excluir parte da pilha Ethereum hostil ao ZK, ele fornece um tempo de verificação mais rápido do que o Type1.
• O Type2 pode ser compatível com a maioria dos aplicativos Ethereum existentes, portanto, a maioria dos desenvolvedores e usuários basicamente não sente atrito.
• Embora seja impossível usar diretamente o Ethereum para executar o cliente com modificação zero, ele ainda pode oferecer suporte a ferramentas de depuração EVM existentes e outras infraestruturas de desenvolvimento por meio de alguma depuração. Portanto, ainda pode aproveitar a ecologia próspera existente do Ethereum em grande medida.

deficiência:

• O impacto da alteração do ambiente de execução é pequeno, mas ainda existem problemas potenciais de desenvolvimento a médio e longo prazo. Por exemplo, substituir o hash Ethereum comumente usado (Keccak) por outros valores de hash compatíveis com zk (como Poseidon) pode fazer com que os aplicativos que dependem dos valores de hash Keccak (envolvendo dados históricos) (como: cross-chain pontes) .Princípio geral: ponte cross-chain não é comunicação em tempo real, geralmente você faz um comportamento na cadeia A - como o que foi queimado; você quer fazer um comportamento correspondente na cadeia B - o que forjar... A essência é que você está na cadeia B É necessário comprovar os dados históricos da cadeia A, então envolverá o uso de Keccak para comprovar os dados históricos) Após migrar para projetos do tipo Type2, haverá problemas de incompatibilidade (incapaz usar ou ficar sem resultados diferentes).
• Mudanças nas regras de precificação da taxa de gás (a intenção original é "orientar" os desenvolvedores a reduzir o uso de códigos operacionais hostis ao zk redefinindo os preços dos códigos operacionais com base na compatibilidade com o zk), para taxas de gás que já foram realizadas em contratos otimizados da Ethereum e até ferramentas de otimização de taxas de gás na Ethereum podem causar problemas.
• Embora essas modificações tenham melhorado ainda mais a eficiência do provador em comparação com o Type1 zkEVM, o tempo de prova ainda é uma desvantagem relativa em comparação com o Type4 zkEVM.

Projetos principais:

• Scroll: A rede de teste pré-alfa será lançada em setembro de 2022, a rede de teste alfa será lançada em fevereiro de 2023 e a rede principal deverá ser lançada em agosto de 2023. Quando o testnet foi lançado, ele pertencia ao Type3 zkEVM, mas está gradualmente aprimorando a compatibilidade do EVM e fazendo a transição para o Type2 zkEVM.
• Polygon zkEVM (solução ZK Rollup da equipe Polygon): em março de 2023, a versão Beta da rede principal será lançada. Ele pertence ao Type3 zkEVM quando fica online, mas atualmente está em transição para o Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - quase compatível com a máquina virtual EVM Ethereum

Arquitetura:

• Vitalik afirmou em seu artigo de blog de 2022 que Type3 zkEVM é mais como uma transição (transição para Type2/1 aumentando a compatibilidade; ou transição para Type4 reduzindo a compatibilidade e melhorando a compatibilidade com zk).
• Quase compatível com EVM Ethereum Virtual Machine. Ao sacrificar ainda mais a compatibilidade, seu zkEVM é mais fácil de desenvolver e as provas zk são geradas mais rapidamente.
• Excluídas mais funções que eram difíceis de implementar no zkEVM (como funções de pré-compilação).
• Existem diferenças maiores ao lidar com código de contrato, memória ou pilha.
• Procure ser compatível com a maioria dos aplicativos existentes.

vantagem:

• Comparado com Type1 e Type2 zkEVM, este tipo é mais compatível com zk, e o tempo de cálculo da prova zk é menor.
• Existem mais aplicativos Ethereum compatíveis com zkEVM do que Type4.

deficiência:

• Comparado com Type1 e Type2 zkEVM, este tipo tem maior incompatibilidade e sacrifício de mais elementos (mais hostil para desenvolvedores Ethereum). É por isso que a classe Type 3 é mais parecida com uma transição.Há uma alta probabilidade de que uma solução nesta categoria fará a transição para a classe Type2 zkEVM melhorando a compatibilidade.
• Comparado com a classe Type4, o zkEVM prova ser mais lento.

Projetos convencionais:

• Scroll: A rede de teste pré-alfa será lançada em setembro de 2022, a rede de teste alfa será lançada em fevereiro de 2023 e a rede principal deverá ser lançada em agosto de 2023. Scroll pertencia a este tipo há um ano, mas agora está se desenvolvendo em direção ao Type2 zkEVM, melhorando a compatibilidade do Ethereum.
• Polygon zkEVM (solução ZK Rollup da equipe Polygon): a versão beta da mainnet será lançada em março de 2023. Ele pertence ao Type3 zkEVM quando fica online, mas atualmente está em transição para o Type2 zkEVM.

Linguagem de alto nível compatível com Type4 zkEVM

Arquitetura:

• Esta classe realmente pertence a zkVM (Zero-Knowledge Proof Virtual Machine, não Zero-Knowledge Proof Ethereum Virtual Machine).
• Pode ser entendido como compatibilidade no nível da linguagem de programação. A lógica geral é: os desenvolvedores podem continuar a escrever contratos inteligentes na linguagem de programação que estão acostumados a usar no Ethereum (como Solidity). Este tipo de projeto usará um compilador para converter esta linguagem de programação em seu código legível personalizado (por exemplo, Starkware usa o compilador Warp para converter o código Solidity em bytecode Cairo; zkSync usa o compilador LLVM para converter o código Solidity em seu LLVM-IR personalizado ) compilados e executados em seus ambientes personalizados (como o Cairo VM da Starknet e o Sync VM do zkSync).
• O objetivo é baixo custo, alta eficiência e máxima compatibilidade com prova de conhecimento zero.

vantagem:

• Tempo de verificação muito rápido.
• Compilar diretamente de uma linguagem de alto nível pode reduzir bastante os custos (tempo, dinheiro e esforço computacional).
• Reduzir o limite técnico para se tornar um certificador e aumentar o grau de descentralização.
• Este tipo de zkEVM pode oferecer suporte nativo à abstração de conta usando sua máquina virtual personalizada. Como a cadeia equivalente EVM não pode oferecer suporte nativo à abstração de conta, ela precisa ser implementada por meio do ERC-4337 da Ethereum.

deficiência:

• Um grande número de aplicativos Ethereum existentes não pode ser copiado para este tipo de zkVM, ou haverá problemas durante o processo de cópia: por exemplo, o endereço do contrato no sistema Tipo 4 tipo zkVM pode ser diferente do endereço no EVM; Tipo 4 tipo zkEVM Não suporta bytecode EVM manuscrito (e muitos aplicativos atualmente usam bytecode EVM manuscrito para economizar taxas de gás); (foi mencionado anteriormente que este tipo é compatível com o nível de linguagem de código Solidity através do compilador) seu compilador não Alguns recursos do Solidity não são suportados.
• Os desenvolvedores do Ethereum precisam fazer ajustes mais complexos se quiserem implantar seus aplicativos em tais projetos. Portanto, em comparação com os tipos anteriores de zkEVM, a facilidade de desenvolvimento desse tipo de projeto é relativamente baixa, o que pode afetar o desenvolvimento da ecologia e a velocidade de iteração da tecnologia.
• É extremamente difícil tirar proveito da ecologia e dos efeitos de rede complexos e prósperos existentes do Ethereum.

Projetos convencionais:

• zkSync Era (a solução ZK Rollup criada pela equipe do Matter Labs): zkSync Lite (zkSync 1.0) será lançado em junho de 2020. Suporta principalmente cenários de pagamento simples (pagamento) e troca de ativos (troca) e não suporta contratos inteligentes compatíveis com EVM; o zkSync Era (zkSync 2.0) será lançado em março de 2023. A compatibilidade no nível de linguagem de alto nível pode ser alcançada por meio da arquitetura acima. O objetivo do zkSync não é a compatibilidade com EVM, mas aumentar a velocidade da geração de prova de conhecimento zero.
• Starknet (solução ZK Rollup construída pela equipe Starkware): A rede principal será lançada em novembro de 2021 e foi atualizada para v0.12.0 em julho deste ano. Ele próprio pertence ao Type4 zkEVM e o destino não é compatível com EVM. Mas atualmente existem projetos como o Kakarot nele, com o objetivo de fazer o Starknet atingir um nível de compatibilidade semelhante ao Type 2.5-3 zkEVM).

Com base na classificação de Vitalik de diferentes zkEVMs em 2022, combinada com o progresso de cada projeto (a partir de agosto de 2023), podemos resumir brevemente com a seguinte figura:

Classificação dos principais projetos ZK Rollup

Todos os tipos de projetos principais do zkEVM

Tabela de comparação dos principais projetos de rollup ZK

Vitalik concluiu no final de seu artigo: "Pessoalmente, espero que com o tempo, através da melhoria do zkEVM combinada com a melhoria do próprio Ethereum, torne (Ethereum) mais amigável ao ZK-SNARK e, eventualmente, tudo será aulas tipo1.

Em tal futuro, teremos várias implementações zkEVM que podem ser usadas tanto para ZK Rollup (escala de conhecimento zero) quanto para validar a própria cadeia Ethereum. Em teoria, não há necessidade de Ethereum ter uma única especificação zkEVM padronizada para uso L1 (primeira camada); diferentes clientes podem optar por usar provas diferentes, para que possamos continuar a nos beneficiar da redundância em nível de código.

No entanto, levará algum tempo até que esse futuro possa ser realizado. Ao mesmo tempo, também veremos muita inovação na expansão do Ethereum (em si) e nos diferentes caminhos do ZK Rollup baseado no Ethereum. "

Ao mesmo tempo, deve-se enfatizar que, embora o principal método de classificação zkEVM no mercado seja a classificação lançada por Vitalik em 2022 (citada neste artigo), também existem outros padrões de classificação. E não importa como eles são classificados, não há distinção absoluta entre esses tipos de zkEVM. Eles são apenas uma compensação entre compatibilidade e velocidade: Type1 zkEVM tem a maior compatibilidade com Ethereum, mas prova ser mais lento (na faixa ZK Rollup); Type4 zkEVM é menos compatível com Ethereum, mas a verificação é mais rápida.

Obviamente, a compatibilidade e a velocidade do zkEVM não são realmente os únicos indicadores para os desenvolvedores considerarem qual ZK Rollup deve ser usado para implantar aplicativos. Existem muitos outros fatores que podem influenciar na sua escolha, como:

Descentralização da ordenação da transação L2: Seja o sequenciador/proponente descentralizado ou não, isso afeta diretamente a complexidade dos participantes ecológicos e a segurança de toda a rede;

Taxas: Quais tokens são usados para pagar taxas e qual é o modelo econômico de token de uma cadeia pública;

Regras para Geração de Prova: Mecanismo de incentivo para provador, padrão de hardware para acelerar a geração de prova;

Auto-hospedagem: existe um mecanismo claro para garantir que os ativos do usuário ainda possam ser recuperados em L1 quando ocorrer um acidente em L2?

Disponibilidade de Dados: O custo de disponibilização completa de dados é naturalmente maior.É aceitável aceitar o modo de disponibilidade de dados de menor custo adotado por alguns ZK Rollups.

No entanto, como a maioria dos projetos ZK Rollup de uso geral ainda está no estágio testnet, muitos dos fatores acima não podem ser comparados horizontalmente.

Finalmente, o tipo de qualquer projeto zkEVM não é estático. Com a exploração de vários esquemas no zkEVM, e até mesmo a melhoria do próprio Ethereum, é possível que todos os esquemas possam eventualmente alcançar o efeito do tipo 1 zkEVM. Nesse ponto, teremos várias implementações zkEVM - tanto para ZK Rollups quanto para validar a própria cadeia Ethereum.

Até lá, esperamos ver a inovação contínua em diferentes caminhos para escalar o Ethereum e o ZK Rollup.