Автор: RJ Источник: Автор Твиттер @0xRJ_eth

Введение

Ожидается, что основное обновление Ethereum, Cancun-Deneb Upgrade, будет реализовано осенью и зимой 2023 года. Основная цель — повысить масштабируемость, безопасность и доступность сети Ethereum, значительно сократив при этом потребление газа. сеть второго уровня. Поэтому, если он будет успешно реализован, он принесет непосредственную пользу экологии L2 Rollups в Ethereum, и даже ожидается, что он приведет к вспышке всего трека L2.

В треке расширения L2 схема расширения с доказательством с нулевым разглашением (ZK Rollups) с превосходной производительностью сжатия данных считается основной схемой Ethereum в среднесрочной и долгосрочной перспективе. В 2022 году Виталик, основатель Ethereum, разделил ZK Rollups на 4 разных типа в соответствии с их совместимостью с виртуальной машиной Ethereum EVM (Ethereum Virtual Machine) и установил базовый стандарт для типа zkEVM.

Этот пост был в значительной степени вдохновлен оригинальной таксономией Виталика, упомянутой выше. После года разработки область добилась значительного прогресса. Цель этой статьи — предоставить обновления треков и более подробные интерпретации (удобные для новичков) с четкой логикой и лаконичным языком, основанные на выводах Виталика.

Что такое ЭВМ?

EVM (Ethereum Virtual Machine) — первая виртуальная машина блокчейна, полная по Тьюрингу. Его можно понимать как среду выполнения кода в Ethereum, которая специально используется для выполнения смарт-контрактов, развернутых в сети Ethereum. С помощью EVM смарт-контракты могут реализовывать автоматизированные функции в децентрализованной сети.

Как самая проверенная виртуальная машина блокчейна, выпущенная в 2015 году, EVM определенно является очень важной инфраструктурой для Ethereum. Даже при оценке других блокчейнов совместимость EVM уже является важным аспектом рассмотрения, поскольку совместимость EVM представляет собой не только среду исполнения смарт-контрактов, доступный набор инструментов Ethereum, но и огромный сетевой эффект, а также зрелую и сложную экологию.

Однако в начале разработки EVM не предполагалось, что ZK Rollup L2 однажды станет основным решением для расширения Ethereum, поэтому при разработке EVM не учитывалась дружелюбность к доказательствам с нулевым разглашением. Это очень затрудняет создание EVM с нулевым разглашением (zkEVM).

Что такое zkEVM?

Из-за сложности совместимости между доказательством с нулевым разглашением и виртуальной машиной Ethereum (EVM) ранний ZK Rollup не поддерживал EVM. В них, как правило, отсутствует возможность исполнения смарт-контрактов (или поддержки специальных виртуальных машин), поэтому они ограничены относительно простыми конкретными сценариями: такими как обмен токенами (своп) и платеж (оплата).

Чтобы решить эту проблему, многие организации и исследователи сосредоточились на создании zkEVM (виртуальная машина Ethereum с нулевым разглашением), которая, как следует из названия, генерирует доказательства с нулевым разглашением для выполнения (процесса и результата) смарт-контрактов в EVM.

С повышением надежности схемы расширения ZK Rollup и развитием технологий различные проекты расширения ZK создали различные варианты будущего, основанные на компромиссах между совместимостью и производительностью (время проверки для создания доказательств с нулевым разглашением). с вычислением доказательства с нулевым разглашением.

Различные типы zkEVM:

Источник: Блог Виталика "Разные типы ZK-EVM"

В 2022 году Виталик опубликовал статью, объясняющую «разные типы zkEVM», и примерно классифицировал и сравнил проекты расширения zk на рынке.

Далее, давайте используем простой язык и четкую логику, чтобы разобраться в типах, технической архитектуре и соответствующих преимуществах и недостатках zkEVM.

ZkEVM класса Type1: полностью эквивалентен Ethereum.

ZkEVM класса Type2: полностью совместим с виртуальной машиной EVM Ethereum (раньше был класс Type2.5, но теперь кажется, что он в основном интегрирован с классом Type2)

ZkEVM класса Type3: почти совместим с виртуальной машиной EVM Ethereum.

Класс zkEVM Type4: Совместимость с языками высокого уровня.

Класс Type1 zkEVM - полностью эквивалентен Ethereum

Архитектура:

• Полностью эквивалентен Ethereum без изменения какой-либо части системной среды Ethereum.
• Нет необходимости заменять хэши, State Trie, Transactions Trie, прекомпиляции и любую другую логику консенсуса.
• Его цель состоит в том, чтобы быть полностью совместимым с существующими приложениями, и разработчики могут легко и просто копировать приложения из прошлого.

преимущество:

• является наиболее совместимой схемой среди всех типов ZK Rollup. Следовательно, это также наиболее удобное решение для разработчиков, позволяющее разработчикам развертывать существующие коды на L2 с нулевым трением (без модификации), поскольку вся согласованная логика и системная среда полностью эквивалентны Ethereum.
• Это полностью согласуется с направлением исследования и расширения самого Ethereum, потому что исследование zkEVM Type1 может быть введено в сам Ethereum без каких-либо проблем в будущем, что сделает сам Ethereum L1 более масштабируемым.
• Это позволяет Rollup беспрепятственно копировать существующую массивную инфраструктуру Ethereum (например, клиент исполнения Ethereum можно использовать для генерации и обработки блоков Rollup, существующих обозревателей блоков и генерации блоков оригинальным способом, а другие инструменты также можно плавно развернуть на L2). ).
• Возможность проверки блоков Ethereum, как это делает Ethereum сегодня, или, точнее, на стороне уровня исполнения (включая выполнение всех транзакций, смарт-контракты и логику учетной записи, но пока не логику консенсуса Beacon Chain).
• Как упоминалось ранее, основная ценность полного эквивалента Ethereum заключается в том, что он может использовать существующий огромный сетевой эффект Ethereum и зрелую и сложную экологию.

недостаток:

• С проблемами, с которыми сталкивается Ethereum при интеграции доказательств с нулевым разглашением, сталкиваются и схемы Type1 (ведь он эквивалентен Ethereum, а Ethereum изначально не был рассчитан на функцию zk).
• Самая большая проблема — это время, необходимое для создания доказательств. Для решения этой проблемы основными решениями в отрасли в настоящее время являются: доказать за счет гениального крупномасштабного распараллеливания проектирования или ускорить за счет аппаратной оптимизации.

Основные проекты:

• Команда Ethereum Foundation PSE (Конфиденциальность и масштабирование исследований, конфиденциальность и расширение)
• Тайко: В июле этого года он был обновлен до тестовой сети Alpha-4, а запуск основной сети ожидается в начале 2024 года. Проект Taiko с самого начала отдавал приоритет децентрализации и совместимости, и в настоящее время он является первым и единственным ZK Rollup, в котором реализован децентрализованный предлагатель.

Type2 zkEVM - полностью совместим с виртуальной машиной EVM Ethereum

Архитектура:

• Стремитесь быть полностью совместимым с виртуальной машиной EVM Ethereum, но не эквивалентной Ethereum.
• По сравнению с операционной средой самого Ethereum, этот тип zkEVM в основном вносит некоторые изменения в структуру блоков, структуру данных дерева состояний, логику ценообразования платы за газ (переоценка в соответствии с дружественностью к zk) и хранение данных, так что zk-проверенные доказательства генерируются быстрее и дешевле.
• Цель состоит в том, чтобы быть как можно более совместимым с подавляющим большинством существующих приложений, при этом некоторые из них требуют некоторой модификации.

преимущество:

• За счет переоценки платы за газ (чем более недружественный к ZK операционный код стоит дороже, и наоборот) и удаления части стека Ethereum, недружественного к ZK, он обеспечивает более быстрое время проверки, чем Type1.
• Type2 может быть совместим с большинством существующих приложений Ethereum, поэтому большинство разработчиков и пользователей в основном не испытывают трений.
• Хотя невозможно напрямую использовать Ethereum для запуска клиента без изменений, он все же может поддерживать существующие инструменты отладки EVM и другую инфраструктуру разработки посредством некоторой отладки. Следовательно, он все еще может в значительной степени использовать существующую процветающую экологию Ethereum.

недостаток:

• Влияние изменения среды выполнения невелико, но в среднесрочной и долгосрочной перспективе все еще существуют потенциальные проблемы разработки. Например, замена обычно используемого хэша Ethereum (Keccak) другими хеш-значениями, удобными для zk (такими как Poseidon), может привести к тому, что те приложения, которые полагаются на хэш-значения Keccak (включая исторические данные) (такие как: мосты).Общий принцип: межцепочный мост не является общением в реальном времени, обычно вы делаете поведение в цепочке А - например, что было сожжено; вы хотите делать соответствующее поведение в цепочке В - что подделывать... Суть в том, что вы находитесь в цепочке B. Необходимо подтвердить исторические данные цепочки A, поэтому для доказательства исторических данных потребуется использование Keccak) После перехода на проекты типа Type2 будут проблемы с несовместимостью (невозможно использовать или исчерпать разные результаты).
• Изменения в правилах ценообразования платы за газ (первоначальная цель состояла в том, чтобы «направить» разработчиков к сокращению использования кодов операций, недружественных к zk, путем переоценки кодов операций на основе дружественности к zk) для уже выполненных сборов за газ. в Ethereum Оптимизированные контракты и даже инструменты оптимизации платы за газ в Ethereum могут вызвать проблемы.
• Хотя эти модификации дополнительно повысили эффективность прувера по сравнению с zkEVM Типа 1, время доказательства по-прежнему является относительным недостатком по сравнению с zkEVM Типа 4.

Основные проекты:

• Прокрутка: тестовая сеть Pre-Alpha будет запущена в сентябре 2022 года, тестовая сеть Alpha будет запущена в феврале 2023 года, а запуск основной сети ожидается в августе 2023 года. Когда тестовая сеть была запущена, она принадлежала zkEVM Type3, но постепенно улучшает совместимость EVM и переходит на zkEVM Type2.
• Polygon zkEVM (решение ZK Rollup от команды Polygon): в марте 2023 года будет запущена бета-версия основной сети. Когда он выходит в сеть, он принадлежит zkEVM Type3, но в настоящее время он переходит на zkEVM Type2.

Type3 zkEVM - почти совместим с виртуальной машиной EVM Ethereum

Архитектура:

• Виталик заявил в своей статье в блоге 2022 года, что zkEVM Type3 больше похож на переход (переход к Type2/1 за счет повышения совместимости или переход к Type4 за счет снижения совместимости и улучшения дружественности zk).
• Практически совместим с виртуальной машиной EVM Ethereum. Еще больше жертвуя совместимостью, его zkEVM легче разрабатывать, а доказательства zk генерируются быстрее.
• Удалено больше функций, которые было трудно реализовать в zkEVM (например, функции прекомпиляции).
• Существуют большие различия в работе с контрактным кодом, памятью или стеком.
• Стремитесь быть совместимым с большинством существующих приложений.

преимущество:

• По сравнению с zkEVM Type1 и Type2, этот тип более удобен для zk, а время расчета доказательства zk короче.
• Существует больше существующих приложений Ethereum, совместимых с zkEVM, чем с Type4.

недостаток:

• По сравнению с zkEVM Type1 и Type2, этот тип имеет более высокую несовместимость и жертвует большим количеством элементов (более недружелюбен к разработчикам Ethereum). Именно поэтому класс Type3 больше похож на переход, существует большая вероятность, что решение из этой категории перейдет в класс Type2 zkEVM за счет улучшения совместимости.
• По сравнению с классом Type4 zkEVM оказывается медленнее.

Основные проекты:

• Прокрутка: тестовая сеть Pre-Alpha будет запущена в сентябре 2022 года, тестовая сеть Alpha будет запущена в феврале 2023 года, а запуск основной сети ожидается в августе 2023 года. Свиток относился к этому типу еще год назад, но сейчас он развивается в сторону Type2 zkEVM за счет улучшения совместимости с Ethereum.
• Polygon zkEVM (решение ZK Rollup от команды Polygon): Бета-версия основной сети будет запущена в марте 2023 года. Когда он выходит в сеть, он принадлежит zkEVM Type3, но в настоящее время он переходит на zkEVM Type2.

Type4 zkEVM-совместимый язык высокого уровня

Архитектура:

• Этот класс на самом деле принадлежит zkVM (виртуальная машина с защитой от нулевого разглашения, а не виртуальная машина Ethereum с защитой от нулевого разглашения).
• Можно понимать как совместимость на уровне языка программирования. Общая логика такова: разработчики могут продолжать писать смарт-контракты на языке программирования, который они привыкли использовать в Ethereum (например, Solidity). Этот тип проекта будет использовать компилятор для преобразования этого языка программирования в собственный читаемый код (например, Starkware использует компилятор Warp для преобразования кода Solidity в байт-код Cairo; zkSync использует компилятор LLVM для преобразования кода Solidity в собственный LLVM-IR). ), скомпилированные и выполненные в своих пользовательских средах (таких как виртуальная машина Starknet Cairo и виртуальная машина синхронизации zkSync).
• Цель — низкая стоимость, высокая эффективность и максимальное удобство доказательства с нулевым разглашением.

преимущество:

• Очень быстрое время проверки.
• Компиляция напрямую с языка высокого уровня может значительно снизить затраты (время, деньги и вычислительные усилия).
• Снизить технический порог для сертификации и повысить степень децентрализации.
• Этот тип zkEVM может изначально поддерживать абстракцию учетных записей с помощью собственной виртуальной машины. Поскольку эквивалентная цепочка EVM изначально не может поддерживать абстракцию учетной записи, ее необходимо реализовать через Ethereum ERC-4337.

недостаток:

• Большое количество существующих Ethereum-приложений нельзя скопировать в этот тип zkVM, иначе возникнут проблемы в процессе копирования: например, адрес контракта в системе zkVM типа 4 может отличаться от адреса в EVM; Тип 4 типа zkEVM Не поддерживает рукописный байт-код EVM (и многие приложения в настоящее время используют рукописный байт-код EVM для экономии платы за газ); (ранее упоминалось, что этот тип совместим с уровнем языка кода Solidity через компилятор) его компилятор поддерживает Некоторые функции Solidity не поддерживаются.
• Разработчикам Ethereum необходимо внести более сложные корректировки, если они хотят развернуть свои приложения в таких проектах. Поэтому по сравнению с предыдущими типами zkEVM удобство для разработчиков этого типа проектов относительно низкое, что может сказаться на развитии экологии и скорости итерации технологии.
• Чрезвычайно сложно воспользоваться существующей сложной и процветающей экологией и сетевыми эффектами Эфириума.

Основные проекты:

• zkSync Era (решение ZK Rollup, созданное командой Matter Labs): zkSync Lite (zkSync 1.0) будет запущен в июне 2020 года. Он в основном поддерживает сценарии простой оплаты (оплаты) и обмена активами (своп), а также не поддерживает смарт-контракты, совместимые с EVM, zkSync Era (zkSync 2.0) будет запущен в марте 2023 г. Совместимость на уровне языка высокого уровня может быть достигнута за счет вышеуказанной архитектуры. Целью zkSync является не совместимость с EVM, а увеличение скорости генерации доказательств с нулевым разглашением.
• Starknet (решение ZK Rollup, созданное командой Starkware): основная сеть будет запущена в ноябре 2021 года, а в июле этого года она была обновлена до версии 0.12.0. Сам он относится к zkEVM Type4, и цель не совместима с EVM. Но в настоящее время на нем есть такие проекты, как Kakarot, целью которых является достижение Starknet уровня совместимости, аналогичного Type 2.5-3 zkEVM).

Основываясь на классификации Виталиком различных zkEVM в 2022 году в сочетании с прогрессом каждого проекта (по состоянию на август 2023 года), мы можем кратко резюмировать на следующем рисунке:

Классификация основных проектов ZK Rollup

Все виды основных проектов zkEVM

Сравнительная таблица основных проектов ZK Rollup

В конце своей статьи Виталик заключил: «Лично я надеюсь, что со временем, за счет улучшения zkEVM в сочетании с улучшением самого Ethereum, он сделает (Ethereum) более дружелюбным к ZK-SNARK, и в конечном итоге все обе будут Классы типа 1.

В таком будущем у нас будет несколько реализаций zkEVM, которые можно будет использовать как для ZK Rollup (масштабирование с нулевым разглашением), так и для проверки самой цепочки Ethereum. Теоретически Ethereum не нуждается в единой стандартизированной спецификации zkEVM для использования L1 (первый уровень); разные клиенты могут использовать разные доказательства, поэтому мы можем продолжать извлекать выгоду из избыточности на уровне кода.

Однако пройдет немало времени, прежде чем такое будущее станет реальностью. В то же время мы также увидим много инноваций в расширении Ethereum (самого) и различных путей ZK Rollup на основе Ethereum. "

В то же время следует подчеркнуть, что хотя основным методом классификации zkEVM на рынке является классификация, запущенная Виталиком в 2022 году (цитируется в этой статье), существуют и другие стандарты классификации. И как бы они ни классифицировались, абсолютного различия между этими типами zkEVM нет. Это просто компромисс между совместимостью и скоростью: zkEVM Type1 имеет наибольшую совместимость с Ethereum, но оказывается медленнее (в треке ZK Rollup); zkEVM Type4 менее совместим с Ethereum, но проверка выполняется быстрее.

Конечно, совместимость и скорость zkEVM на самом деле не единственные показатели, по которым разработчики должны учитывать, какой ZK Rollup следует использовать для развертывания приложений. Есть много других факторов, которые могут повлиять на их выбор, например:

Децентрализация порядка транзакций L2: независимо от того, децентрализован ли секвенсор/предлагатель, это напрямую влияет на сложность экологических участников и безопасность всей сети;

Сборы: какие токены используются для оплаты сборов и какова экономическая модель токенов публичной сети;

Правила создания доказательств: механизм поощрения доказывающих, аппаратный стандарт для ускорения создания доказательств;

Самостоятельный хостинг: существует ли четкий механизм, гарантирующий, что пользовательские активы все еще могут быть восстановлены в L1, когда авария произойдет в L2;

Доступность данных: Стоимость полной доступности данных, естественно, выше. Допустимо ли принять более дешевый режим доступности данных, принятый некоторыми накопительными пакетами ZK.

Однако, поскольку большинство проектов ZK Rollup общего назначения все еще находятся на стадии тестовой сети, многие из вышеперечисленных факторов нельзя сравнивать по горизонтали.

Наконец, тип любого проекта zkEVM не является статичным. При изучении различных схем в zkEVM и даже улучшении самого Ethereum вполне возможно, что все схемы могут в конечном итоге достичь эффекта zkEVM типа 1. На этом этапе у нас будет несколько реализаций zkEVM — как для ZK Rollup, так и для проверки самой цепочки Ethereum.

А пока давайте с нетерпением ждем продолжения инноваций на различных путях масштабирования Ethereum и ZK Rollup.