Автор: RJ; Джерело: Автор Twitter @0xRJ_eth

Вступ

Очікується, що основне оновлення Ethereum, Cancun-Deneb Upgrade, буде реалізовано восени та взимку 2023 року. Основна мета полягає в тому, щоб підвищити масштабованість, безпеку та доступність мережі Ethereum, одночасно значно скорочуючи газ мережа другого рівня.плата. Таким чином, якщо це буде успішно реалізовано, це принесе безпосередню користь екології L2 Rollups Ethereum, і навіть очікується, що це спричинить спалах усієї версії L2.

У версії розширення L2 схема розширення з підтвердженням нульового знання (ZK Rollups) із відмінною продуктивністю стиснення даних розглядається як середньо- та довгострокова основна схема Ethereum. У 2022 році Віталік, засновник Ethereum, розділив ZK Rollups на 4 різні типи відповідно до їх сумісності з віртуальною машиною Ethereum EVM (Ethereum Virtual Machine) і встановив базовий стандарт для типу zkEVM.

Ця публікація була значною мірою натхненна основоположною таксономією Віталіка, згаданою вище. Після року розробки сфера досягла значного прогресу. Ця стаття має на меті надати оновлення доріжок і більш детальні інтерпретації (зручні для новачків) з чіткою логікою та лаконічною мовою, засновані на думках Віталіка.

Що таке EVM?

EVM (Ethereum Virtual Machine) — це перша віртуальна машина блокчейну, повна за Тьюрингом. Його можна розуміти як середовище виконання коду в Ethereum, яке спеціально використовується для виконання смарт-контрактів, розгорнутих у мережі Ethereum. Завдяки EVM смарт-контракти можуть реалізовувати автоматизовані функції в децентралізованій мережі.

Як найбільш перевірена віртуальна машина блокчейну, випущена в 2015 році, EVM, безумовно, є дуже важливою інфраструктурою для Ethereum. Навіть якщо оцінювати інші блокчейни, сумісність EVM вже є важливим виміром для розгляду, оскільки сумісність EVM представляє не лише середовище виконання смарт-контрактів, доступний набір інструментів Ethereum, але й величезний мережевий ефект, а також зрілу та складну екологію.

Однак на початку розробки EVM не було уявлення про те, що одного дня ZK Rollup L2 стане основним рішенням для розширення Ethereum, тому дизайн EVM не вважався дружнім до доказів із нульовим знанням. Через це дуже важко побудувати EVM (zkEVM), придатну для перевірки з нульовим знанням.

Що таке zkEVM?

Через труднощі сумісності між Zero Knowledge Proof і Ethereum Virtual Machine (EVM) ранній ZK Rollup не підтримував EVM. Їм, як правило, не вистачає можливості виконувати смарт-контракти (або підтримувати спеціальні віртуальні машини), тому вони обмежені відносно простими конкретними сценаріями: такими як обмін токеном (swap) і оплата (payment).

Щоб вирішити цю проблему, багато організацій і дослідників зосереджуються на створенні zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), яка, як випливає з назви, генерує докази з нульовим знанням для виконання (процесу та результату) смарт-контрактів у EVM.

Зі збільшенням надійності схеми розширення ZK Rollup і розвитком технології різні проекти розширення zk створили різне майбутнє на основі компромісів між сумісністю та продуктивністю (час перевірки для створення доказів із нульовим знанням). з обчисленням доказу нульового знання.

Різні типи zkEVM:

Джерело: блог Віталіка «Різні типи ЗК-ЕВМ»

У 2022 році Віталік опублікував статтю, в якій пояснював «різні типи zkEVM», а також грубо класифікував і порівнював проекти розширення zk на ринку.

Далі скористаємося простою мовою та чіткою логікою, щоб розібрати типи, технічну архітектуру та відповідні переваги та недоліки zkEVM.

Type1 class zkEVM: повністю еквівалентний Ethereum

Type2 class zkEVM: повністю сумісний з віртуальною машиною EVM Ethereum (раніше був клас Type2.5, але тепер здається, що він в основному інтегрований з класом Type2)

Type3 class zkEVM: Майже сумісний з віртуальною машиною Ethereum EVM

Type4 class zkEVM: сумісний із мовами високого рівня

Type1 class zkEVM - повністю еквівалентний Ethereum

Архітектура:

• Повністю еквівалентний Ethereum без зміни жодної частини системного середовища Ethereum.
• Немає потреби замінювати хеші, трійки стану, трійки транзакцій, попередні компіляції та будь-яку іншу консенсусну логіку.
• Його мета полягає в тому, щоб бути повністю сумісним з існуючими програмами, і розробники можуть плавно копіювати програми минулого.

перевага:

• є найбільш сумісною схемою серед усіх типів ZK Rollup. Таким чином, це також найбільш дружнє рішення для розробників — дозволяє розробникам розгортати існуючі коди на L2 без жодних змін (без модифікацій), оскільки вся консенсусна логіка та системне середовище повністю еквівалентні Ethereum.
• Це дуже узгоджується з напрямком дослідження та розширення самого Ethereum, оскільки дослідження на Type1 zkEVM можна буде впровадити в сам Ethereum без проблем у майбутньому, таким чином зробивши сам Ethereum L1 більш масштабованим.
• Це дозволяє Rollup легко копіювати існуючу масивну інфраструктуру Ethereum (наприклад, клієнт виконання Ethereum може використовуватися для генерації та обробки блоків Rollup, існуючих дослідників блоків і створення блоків оригінальним способом, а також інші інструменти також можна плавно розгорнути на L2 ).
• Можливість перевіряти блоки Ethereum, як це робить Ethereum сьогодні, або, точніше, на стороні рівня виконання (включно з усіма виконаннями транзакцій, смарт-контрактами та логікою облікового запису, але наразі не логікою консенсусу Beacon Chain).
• Як згадувалося раніше, головна цінність повної еквівалентності Ethereum полягає в тому, що він може використовувати переваги наявного величезного мережевого ефекту Ethereum і зрілої та складної екології.

недолік:

• Проблеми, з якими стикається Ethereum при інтеграції доказів з нульовим знанням, також стикаються зі схемами Type1 (зрештою, це еквівалент Ethereum, а Ethereum спочатку не був розроблений для функції zk).
• Найбільшою проблемою є час, необхідний для створення доказів. Щоб вирішити цю проблему, основними рішеннями в галузі на даний момент є: підтвердження шляхом геніального великомасштабного розпаралелювання проектування або прискорення шляхом оптимізації обладнання.

Головні проекти:

• Команда Ethereum Foundation PSE (конфіденційність і розширення конфіденційності та масштабування досліджень)
• Taiko: у липні цього року його було оновлено до тестової мережі Alpha-4, і очікується, що основна мережа буде запущена на початку 2024 року. Проект Taiko з самого початку надає пріоритет децентралізації та сумісності, і наразі це перший і єдиний ZK Rollup, який реалізує децентралізований пропонатор.

Type2 zkEVM - повністю сумісний з віртуальною машиною Ethereum EVM

Архітектура:

• Намагайтеся бути повністю сумісними з EVM Ethereum Virtual Machine, але не еквівалентними Ethereum.
• Порівняно з операційним середовищем самого Ethereum, цей тип zkEVM в основному вносить деякі зміни в блочну структуру, структуру даних дерева стану, логіку ціноутворення плати за газ (повторне встановлення ціни відповідно до зручності zk) і зберігання даних, щоб генерувати докази, перевірені zk, швидше та дешевше.
• Мета полягає в тому, щоб бути максимально сумісним із переважною більшістю існуючих додатків, деякі з яких вимагають певних змін.

перевага:

• Завдяки переоцінці комісії за газ (чим більш незручний для ZK операційний код дорожчий, і навпаки) і видаленню частини стека Ethereum, який не відповідає ZK, він забезпечує швидший час перевірки, ніж Type1.
• Type2 може бути сумісний з більшістю існуючих додатків Ethereum, тому більшість розробників і користувачів практично не відчувають ніяких труднощів.
• Хоча неможливо напряму використовувати Ethereum для виконання клієнта без жодних змін, він все одно може підтримувати існуючі інструменти налагодження EVM та іншу інфраструктуру розробки за допомогою певного налагодження. Таким чином, він все ще може значною мірою використовувати існуючу процвітаючу екологію Ethereum.

недолік:

• Вплив зміни середовища виконання невеликий, але все ще існують потенційні проблеми розвитку в середньостроковій та довгостроковій перспективі. Наприклад, заміна широко використовуваного хешу Ethereum (Keccak) іншими зручними для zk значеннями хешування (такими як Poseidon) може призвести до того, що ті програми покладаються на хеш-значення Keccak (включно з історичними даними) (наприклад: крос-ланцюжок bridges) .Загальний принцип: міжланцюговий міст не є зв’язком у реальному часі, зазвичай ви виконуєте певну поведінку в ланцюзі A – наприклад, те, що було спалено; ви хочете виконати відповідну поведінку в ланцюзі B – що підробити... Суть полягає в тому, що ви перебуваєте в ланцюзі B. Необхідно підтвердити історичні дані ланцюга A, тому для підтвердження історичних даних потрібно використовувати Keccak) Після переходу на проекти типу Type2 виникнуть проблеми несумісності (неможливо використовувати або закінчити різні результати).
• Зміни до правил ціноутворення плати за газ (початковий намір полягає в тому, щоб «спрямувати» розробників зменшити використання zk-несприятливих операційних кодів шляхом переоцінки операційних кодів на основі zk-зручності) для плати за газ, яка вже була здійснена на Ethereum Оптимізовані контракти та навіть інструменти оптимізації плати за газ на Ethereum можуть спричинити проблеми.
• Незважаючи на те, що ці модифікації ще більше підвищили ефективність прувера порівняно з Type1 zkEVM, час перевірки все ще є відносною невигідністю порівняно з Type4 zkEVM.

Головні проекти:

• Прокрутка: Тестова мережа Pre-Alpha буде запущена у вересні 2022 року, тестова мережа Alpha буде запущена в лютому 2023 року, а основна мережа, як очікується, буде запущена в серпні 2023 року. Коли тестова мережа була запущена, вона належала до Type3 zkEVM, але вона поступово покращує сумісність з EVM і переходить до Type2 zkEVM.
• Polygon zkEVM (зведене рішення ZK від команди Polygon): у березні 2023 року буде запущено бета-версію основної мережі. Він належить до Type3 zkEVM, коли він виходить в Інтернет, але зараз переходить до Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - майже сумісна з EVM Ethereum віртуальна машина

Архітектура:

• Віталік заявив у своїй статті в блозі 2022 року, що Type3 zkEVM більше схожий на перехід (перехід до Type2/1 шляхом збільшення сумісності; або перехід до Type4 шляхом зменшення сумісності та покращення зручності zk).
• Практично сумісний з віртуальною машиною EVM Ethereum. Завдяки додатковому зниженню сумісності його zkEVM легше розробляти, а zk-докази генеруються швидше.
• Видалено більше функцій, які було важко реалізувати в zkEVM (наприклад, функції попередньої компіляції).
• Існують більші відмінності у роботі з кодом контракту, пам’яттю чи стеком.
• Прагніть бути сумісними з більшістю існуючих програм.

перевага:

• Порівняно з Type1 і Type2 zkEVM, цей тип є більш зручним для zk, а час обчислення перевірки zk коротший.
• Існує більше додатків Ethereum, сумісних із zkEVM, ніж Type4.

недолік:

• Порівняно з Type1 і Type2 zkEVM, цей тип має більшу несумісність і жертвує більшою кількістю елементів (більш недружній до розробників Ethereum). Ось чому клас Type3 більше схожий на перехід.Існує висока ймовірність того, що рішення в цій категорії перейде до класу Type2 zkEVM за рахунок покращення сумісності.
• Порівняно з класом Type4 zkEVM виявився повільнішим.

Головні проекти:

• Прокрутка: Тестова мережа Pre-Alpha буде запущена у вересні 2022 року, тестова мережа Alpha буде запущена в лютому 2023 року, а основна мережа, як очікується, буде запущена в серпні 2023 року. Scroll належав до цього типу рік тому, але зараз він розвивається до Type2 zkEVM, покращуючи сумісність з Ethereum.
• Polygon zkEVM (зведене рішення ZK від команди Polygon): бета-версія основної мережі буде запущена в березні 2023 року. Він належить до Type3 zkEVM, коли він виходить в Інтернет, але зараз переходить до Type2 zkEVM.

Type4 zkEVM-сумісна мова високого рівня

Архітектура:

• Цей клас насправді належить до zkVM (віртуальна машина з нульовим знанням, а не віртуальна машина Ethereum з нульовим знанням).
• Можна розуміти як сумісність на рівні мови програмування. Загальна логіка така: розробники можуть продовжувати писати смарт-контракти мовою програмування, яку вони звикли використовувати в Ethereum (наприклад, Solidity). У цьому типі проекту використовуватиметься компілятор для перетворення цієї мови програмування на власний читабельний код (наприклад, Starkware використовує компілятор Warp для перетворення коду Solidity у байт-код Cairo; zkSync використовує компілятор LLVM для перетворення коду Solidity у свій власний LLVM-IR ), скомпільовані та виконані у своїх власних середовищах (таких як Starknet Cairo VM та zkSync Sync VM).
• Метою є низька вартість, висока ефективність і максимальна дружність із нульовим знанням.

перевага:

• Дуже швидкий час перевірки.
• Компіляція безпосередньо з мови високого рівня може значно скоротити витрати (час, гроші та обчислювальні зусилля).
• Знизьте технічний поріг для того, щоб стати сертифікатором, і підвищте ступінь децентралізації.
• Цей тип zkEVM може нативно підтримувати абстракцію облікового запису за допомогою спеціальної віртуальної машини. Оскільки еквівалентний ланцюжок EVM не може нативно підтримувати абстракцію облікового запису, його потрібно реалізувати через ERC-4337 Ethereum.

недолік:

• Велика кількість існуючих додатків Ethereum не може бути скопійована в цей тип zkVM, або під час процесу копіювання виникнуть проблеми: наприклад, адреса контракту в системі zkVM типу 4 може відрізнятися від адреси в EVM; тип 4 типу zkEVM Не підтримує рукописний байт-код EVM (і багато програм наразі використовують рукописний байт-код EVM для економії плати за газ); (раніше згадувалося, що цей тип сумісний із рівнем мови коду Solidity через компілятор) його компілятор підтримує Деякі функції Solidity не підтримуються.
• Розробникам Ethereum потрібно внести складніші налаштування, якщо вони хочуть розгорнути свої програми в таких проектах. Таким чином, порівняно з попередніми типами zkEVM, зручність розробника цього типу проектів є відносно низькою, що може вплинути на розвиток екології та швидкість ітерації технології.
• Надзвичайно важко скористатися перевагами існуючої складної та процвітаючої екології та мережевих ефектів Ethereum.

Головні проекти:

• zkSync Era (зведене рішення ZK, створене командою Matter Labs): zkSync Lite (zkSync 1.0) буде запущено в червні 2020 року. Він в основному підтримує сценарії простих платежів (оплати) і обміну активами (своп), а також не підтримує смарт-контракти, сумісні з EVM; zkSync Era (zkSync 2.0) буде запущено в березні 2023 р. Сумісність на мовному рівні високого рівня може бути досягнута за допомогою вищезазначеної архітектури. Метою zkSync є не сумісність з EVM, а збільшення швидкості генерації доказів нульового знання.
• Starknet (Зведене рішення ZK, створене командою Starkware): Мейнмерет буде запущено в листопаді 2021 року, а в липні цього року її оновлено до версії 0.12.0. Сам він належить до типу 4 zkEVM, а мета не сумісна з EVM. Але наразі існують такі проекти, як Kakarot, спрямовані на те, щоб Starknet досяг рівня сумісності, подібного до типу 2.5-3 zkEVM).

Базуючись на класифікації Віталіка різних zkEVM у 2022 році в поєднанні з прогресом кожного проекту (станом на серпень 2023 року), ми можемо коротко підсумувати таку цифру:

Класифікація основних проектів ZK Rollup

Усі типи основних проектів zkEVM

Порівняльна таблиця основних проектів ZK Rollup

Наприкінці своєї статті Віталік підсумував: «Особисто я сподіваюся, що з часом завдяки вдосконаленню zkEVM у поєднанні з покращенням самого Ethereum це зробить (Ethereum) більш дружнім до ZK-SNARK, і врешті-решт все обидва стануть Класи 1 типу.

У такому майбутньому ми матимемо кілька реалізацій zkEVM, які можна використовувати як для ZK Rollup (масштабування з нульовим знанням), так і для перевірки самого ланцюга Ethereum. Теоретично, Ethereum не потребує єдиної стандартизованої специфікації zkEVM для використання L1 (першого рівня); різні клієнти можуть використовувати різні докази, тому ми можемо й надалі отримувати вигоду від надмірності на рівні коду.

Однак для реалізації такого майбутнього потрібен певний час. У той же час ми також побачимо багато інновацій у розширенні Ethereum (самого) і різні шляхи ZK Rollup на основі Ethereum. "

У той же час слід підкреслити, що хоча основним методом класифікації zkEVM на ринку є класифікація, запущена Vitalik у 2022 році (цитована в цій статті), існують також інші стандарти класифікації. І незалежно від того, як вони класифікуються, немає абсолютної різниці між цими типами zkEVM. Вони є лише компромісом між сумісністю та швидкістю: Type1 zkEVM має найвищу сумісність з Ethereum, але виявляється повільнішим (у версії ZK Rollup); Type4 zkEVM менш сумісний з Ethereum, але верифікація швидша.

Звичайно, сумісність і швидкість zkEVM насправді не є єдиними показниками для розробників, які мають розглянути, який ZK Rollup слід використовувати для розгортання програм. Є багато інших факторів, які можуть вплинути на їх вибір, наприклад:

Ступінь децентралізації впорядкування транзакцій L2: чи є секвенсор/пропонатор децентралізованим, що безпосередньо впливає на складність екологічних учасників і безпеку всієї мережі;

Комісії: які токени використовуються для сплати комісій і яка економічна модель токенів публічного ланцюга;

Правила для створення доказів: механізм стимулювання для перевірки, апаратний стандарт для прискорення створення доказів;

Самостійне розміщення: чи існує чіткий механізм, який гарантує, що ресурси користувача все ще можуть бути відновлені в L1, коли в L2 трапляється аварія;

Доступність даних: ціна повної доступності даних, природно, вища. Чи прийнятно прийняти дешевший режим доступності даних, прийнятий деякими ZK Rollups.

Однак, оскільки більшість проектів ZK Rollup загального призначення все ще перебувають на стадії тестової мережі, багато з наведених вище факторів не можна порівнювати горизонтально.

Нарешті, тип будь-якого проекту zkEVM не є статичним. Завдяки дослідженню різних схем у zkEVM і навіть вдосконаленню самого Ethereum можливо, що всі схеми зрештою зможуть досягти ефекту типу 1 zkEVM. На цьому етапі ми матимемо кілька реалізацій zkEVM – як для ZK Rollups, так і для перевірки самого ланцюга Ethereum.

А до того часу давайте з нетерпінням чекатимемо продовження інновацій на різних шляхах масштабування Ethereum і ZK Rollup.