Tác giả: RJ; Nguồn: Tác giả Twitter @0xRJ_eth

Giới thiệu

Bản nâng cấp lớn của Ethereum, Bản nâng cấp Cancun-Deneb, dự kiến sẽ được triển khai vào mùa thu và mùa đông năm 2023. Mục tiêu cốt lõi là tăng cường khả năng mở rộng, bảo mật và tính khả dụng của mạng Ethereum, đồng thời giảm đáng kể lượng gas của mạng lớp thứ hai.phí. Do đó, nếu nó được triển khai thành công, nó sẽ mang lại lợi ích trực tiếp cho hệ sinh thái Rollup L2 của Ethereum và thậm chí nó còn được cho là sẽ thúc đẩy sự bùng nổ của toàn bộ đường đua L2.

Trong lộ trình mở rộng L2, sơ đồ mở rộng bằng chứng không kiến thức (ZK Rollups) với hiệu suất nén dữ liệu tuyệt vời đã được coi là sơ đồ cốt lõi trung và dài hạn của Ethereum. Vào năm 2022, Vitalik, người sáng lập Ethereum, đã chia ZK Rollup thành 4 loại khác nhau tùy theo khả năng tương thích của chúng với máy ảo Ethereum EVM (Ethereum Virtual Machine) và thiết lập tiêu chuẩn cơ bản cho loại zkEVM.

Bài đăng này được lấy cảm hứng rất nhiều từ phân loại tinh dịch của Vitalik đã đề cập ở trên. Sau một năm phát triển, lĩnh vực này đã có những bước tiến đáng kể. Bài viết này nhằm mục đích cung cấp thông tin cập nhật về bản nhạc và diễn giải chi tiết hơn (thân thiện với người mới) với logic rõ ràng và ngôn ngữ ngắn gọn, dựa trên những hiểu biết sâu sắc của Vitalik.

EVM là gì?

EVM (Ethereum Virtual Machine) là máy ảo blockchain hoàn chỉnh Turing đầu tiên. Nó có thể được hiểu là môi trường thời gian chạy mã trên Ethereum, được sử dụng đặc biệt để thực hiện các hợp đồng thông minh được triển khai trên mạng Ethereum. Thông qua EVM, các hợp đồng thông minh có thể thực hiện các chức năng tự động trên mạng phi tập trung.

Là máy ảo blockchain đã được chứng minh nhiều nhất được phát hành vào năm 2015, EVM chắc chắn là một cơ sở hạ tầng rất quan trọng đối với Ethereum. Ngay cả khi đánh giá các chuỗi khối khác, khả năng tương thích EVM đã là một khía cạnh quan trọng cần xem xét, bởi vì khả năng tương thích EVM không chỉ đại diện cho môi trường thực thi hợp đồng thông minh, bộ công cụ Ethereum có sẵn mà còn cả hiệu ứng mạng khổng lồ và hệ sinh thái trưởng thành và phức tạp.

Tuy nhiên, khi bắt đầu thiết kế EVM, người ta không tưởng tượng rằng một ngày nào đó ZK Rollup L2 sẽ trở thành giải pháp cốt lõi của việc mở rộng Ethereum, vì vậy thiết kế của EVM không coi là thân thiện với bằng chứng không có kiến thức. Điều này gây khó khăn cho việc xây dựng một EVM thân thiện với bằng chứng không kiến thức (zkEVM).

zkEVM là gì?

Do khó tương thích giữa Zero Knowledge Proof và Ethereum Virtual Machine (EVM), ZK Rollup ban đầu không hỗ trợ EVM. Chúng thường thiếu khả năng thực hiện các hợp đồng thông minh (hoặc hỗ trợ các máy ảo đặc biệt), vì vậy chúng bị giới hạn trong các tình huống cụ thể tương đối đơn giản: chẳng hạn như trao đổi mã thông báo (swap) và thanh toán (thanh toán).

Để giải quyết vấn đề này, nhiều tổ chức và nhà nghiên cứu tập trung vào việc tạo zkEVM (Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine), đúng như tên gọi, tạo ra các bằng chứng không kiến thức để thực hiện (quy trình và kết quả) của các hợp đồng thông minh trong EVM.

Với sự gia tăng về tính chắc chắn của sơ đồ mở rộng ZK Rollup và sự tiến bộ của công nghệ, nhiều dự án mở rộng zk khác nhau đã tạo ra những tương lai khác nhau dựa trên sự đánh đổi giữa Khả năng tương thích và Hiệu suất (Thời gian chứng minh để tạo bằng chứng không kiến thức). với tính toán bằng chứng không kiến thức.

Các loại zkEVM khác nhau:

Nguồn: Vitalik blog "Các loại ZK-EVM khác nhau"

Vào năm 2022, Vitalik đã xuất bản một bài báo giải thích về "các loại zkEVM khác nhau", đồng thời phân loại và so sánh sơ bộ các dự án mở rộng zk trên thị trường.

Tiếp theo, chúng ta hãy sử dụng ngôn ngữ đơn giản và logic rõ ràng để phân loại các loại, kiến trúc kỹ thuật cũng như các ưu điểm và nhược điểm tương ứng của zkEVM.

Type1 lớp zkEVM: hoàn toàn tương đương với Ethereum

Lớp Type2 zkEVM: hoàn toàn tương thích với máy ảo EVM Ethereum (đã từng có lớp Type2.5, nhưng bây giờ có vẻ như nó đã được tích hợp cơ bản với lớp Type2)

Type3 lớp zkEVM: Gần như tương thích với máy ảo EVM Ethereum

Type4 class zkEVM: Tương thích với các ngôn ngữ cấp cao

Type1 lớp zkEVM - hoàn toàn tương đương với Ethereum

Ngành kiến trúc:

• Hoàn toàn tương đương với Ethereum mà không thay đổi bất kỳ phần nào của môi trường hệ thống Ethereum.
• Không cần thay thế Băm, Trie trạng thái, Trie giao dịch, Biên dịch trước và bất kỳ logic đồng thuận nào khác.
• Mục tiêu của nó là tương thích hoàn toàn với các ứng dụng hiện có và các nhà phát triển có thể sao chép các ứng dụng trong quá khứ một cách mượt mà.

lợi thế:

• là sơ đồ tương thích nhất trong số tất cả các loại ZK Rollup. Do đó, nó cũng là giải pháp thân thiện nhất cho các nhà phát triển - cho phép các nhà phát triển triển khai các mã hiện có lên L2 mà không gặp trở ngại (không cần sửa đổi), bởi vì tất cả logic đồng thuận và môi trường hệ thống hoàn toàn tương đương với Ethereum.
• Nó rất phù hợp với hướng khám phá và mở rộng của chính Ethereum, bởi vì việc khám phá trên Type1 zkEVM có thể được đưa vào chính Ethereum mà không gặp trở ngại trong tương lai, do đó làm cho bản thân Ethereum L1 có khả năng mở rộng hơn.
• Nó cho phép Rollup sao chép dễ dàng cơ sở hạ tầng Ethereum khổng lồ hiện có (ví dụ: ứng dụng khách thực thi Ethereum có thể được sử dụng để tạo và xử lý các khối Rollup, trình khám phá khối hiện có và tạo khối theo cách ban đầu và các công cụ khác cũng có thể được triển khai sang L2 một cách mượt mà ).
• Khả năng xác thực các khối Ethereum như Ethereum hiện nay, hay chính xác hơn là phía lớp thực thi (bao gồm tất cả việc thực thi giao dịch, hợp đồng thông minh và logic tài khoản, nhưng hiện tại không phải là logic đồng thuận Chuỗi Beacon).
• Như đã đề cập trước đó, giá trị chính của việc hoàn toàn tương đương với Ethereum là nó có thể tận dụng hiệu ứng mạng khổng lồ hiện có của Ethereum cũng như hệ sinh thái trưởng thành và phức tạp.

sự thiếu sót:

• Các vấn đề mà Ethereum gặp phải trong việc tích hợp các bằng chứng không có kiến thức cũng gặp phải với các sơ đồ Type1 (xét cho cùng, nó tương đương với Ethereum và Ethereum ban đầu không được thiết kế cho chức năng zk).
• Vấn đề lớn nhất là thời gian cần thiết để tạo ra bằng chứng. Để giải quyết vấn đề này, các giải pháp chính trong ngành hiện nay là: chứng minh thông qua kỹ thuật song song quy mô lớn khéo léo hoặc tăng tốc thông qua tối ưu hóa phần cứng.

Các dự án chính:

• Đội ngũ mở rộng và bảo mật của Ethereum Foundation PSE (Privacy and Scaling Explorations)
• Taiko: Nó đã được cập nhật lên mạng thử nghiệm Alpha-4 vào tháng 7 năm nay và dự kiến sẽ ra mắt mạng chính vào đầu năm 2024. Dự án Taiko đã ưu tiên phân cấp và tương thích ngay từ đầu, và hiện là ZK Rollup đầu tiên và duy nhất triển khai một đề xuất phi tập trung.

Type2 zkEVM - hoàn toàn tương thích với máy ảo EVM Ethereum

Ngành kiến trúc:

• Cố gắng tương thích hoàn toàn với Máy ảo EVM Ethereum, nhưng không tương đương với Ethereum.
• So với môi trường hoạt động của chính Ethereum, loại zkEVM này chủ yếu thực hiện một số sửa đổi đối với cấu trúc khối, cấu trúc dữ liệu của cây trạng thái, logic định giá phí gas (định giá lại theo mức độ thân thiện với zk) và lưu trữ dữ liệu, để các bằng chứng được zk xác minh được tạo ra nhanh hơn và rẻ hơn.
• Mục tiêu là tương thích nhất có thể với phần lớn các ứng dụng hiện có, với một số ứng dụng yêu cầu một số sửa đổi.

lợi thế:

• Bằng cách định giá lại phí gas (mã op không thân thiện với ZK càng đắt và ngược lại) và xóa một phần ngăn xếp Ethereum không thân thiện với ZK, nó cung cấp thời gian xác minh nhanh hơn Type1.
• Type2 có thể tương thích với hầu hết các ứng dụng Ethereum hiện có, vì vậy hầu hết các nhà phát triển và người dùng về cơ bản không cảm thấy khó khăn.
• Mặc dù không thể trực tiếp sử dụng Ethereum để thực thi ứng dụng khách mà không cần sửa đổi, nhưng nó vẫn có thể hỗ trợ các công cụ sửa lỗi EVM hiện có và cơ sở hạ tầng phát triển khác thông qua một số sửa lỗi. Do đó, nó vẫn có thể tận dụng hệ sinh thái thịnh vượng hiện có của Ethereum ở một mức độ lớn.

sự thiếu sót:

• Tác động của việc thay đổi môi trường thực thi là nhỏ, nhưng vẫn tiềm ẩn những vấn đề phát triển trong trung và dài hạn. Ví dụ: thay thế hàm băm Ethereum (Keccak) thường được sử dụng bằng các giá trị băm thân thiện với zk khác (chẳng hạn như Poseidon) có thể khiến các ứng dụng dựa trên giá trị băm Keccak (liên quan đến dữ liệu lịch sử) (chẳng hạn như: chuỗi chéo) cầu nối). Bản chất là bạn đang ở chuỗi B. Cần phải chứng minh dữ liệu lịch sử của chuỗi A, vì vậy sẽ liên quan đến việc sử dụng Keccak để chứng minh dữ liệu lịch sử) Sau khi chuyển sang các dự án loại Type2, sẽ xảy ra sự cố không tương thích (không thể để sử dụng hoặc hết các kết quả khác nhau).
• Thay đổi quy tắc định giá phí gas (mục đích ban đầu là "hướng dẫn" các nhà phát triển giảm việc sử dụng mã op không thân thiện với zk bằng cách định giá lại mã op theo mức độ thân thiện với zk của họ), đối với phí gas đã được thực hiện trên Ethereum Các hợp đồng được tối ưu hóa và thậm chí các công cụ tối ưu hóa phí gas trên Ethereum có thể gây ra sự cố.
• Mặc dù những sửa đổi này đã cải thiện hơn nữa hiệu quả của bộ chứng minh so với zkEVM Type1, nhưng thời gian chứng minh vẫn là một bất lợi tương đối so với zkEVM Type4.

Các dự án chính:

• Cuộn: Mạng thử nghiệm Pre-Alpha sẽ ra mắt vào tháng 9 năm 2022, mạng thử nghiệm Alpha sẽ ra mắt vào tháng 2 năm 2023 và mạng chính dự kiến sẽ ra mắt vào tháng 8 năm 2023. Khi testnet được khởi chạy, nó thuộc Type3 zkEVM, nhưng nó đang dần tăng cường khả năng tương thích với EVM và chuyển sang Type2 zkEVM.
• Polygon zkEVM (Giải pháp ZK Rollup của nhóm Polygon): Vào tháng 3 năm 2023, phiên bản Beta của mạng chính sẽ được ra mắt. Nó thuộc Type3 zkEVM khi trực tuyến, nhưng nó hiện đang chuyển sang Type2 zkEVM.

Type3 zkEVM - gần như tương thích với máy ảo EVM Ethereum

Ngành kiến trúc:

• Vitalik đã nêu trong bài viết trên blog năm 2022 của mình rằng Type3 zkEVM giống như một quá trình chuyển đổi (chuyển đổi sang Type2/1 bằng cách tăng khả năng tương thích; hoặc chuyển đổi sang Type4 bằng cách giảm khả năng tương thích và cải thiện tính thân thiện với zk).
• Gần như tương thích với Máy ảo EVM Ethereum. Bằng cách hy sinh thêm khả năng tương thích, zkEVM của nó dễ phát triển hơn và bằng chứng zk được tạo nhanh hơn.
• Đã xóa nhiều chức năng khó thực hiện trong zkEVM (chẳng hạn như các chức năng biên dịch trước).
• Có sự khác biệt lớn hơn trong việc xử lý mã hợp đồng, bộ nhớ hoặc ngăn xếp.
• Nhằm mục đích tương thích với hầu hết các ứng dụng hiện có.

lợi thế:

• So với zkEVM Type1 và Type2, loại này thân thiện với zk hơn và thời gian tính toán bằng chứng zk ngắn hơn.
• Có nhiều ứng dụng Ethereum hiện có tương thích với zkEVM hơn Type4.

sự thiếu sót:

• So với Type1 và Type2 zkEVM, loại này có tính không tương thích cao hơn và hy sinh nhiều yếu tố hơn (không thân thiện hơn với các nhà phát triển Ethereum). Đây là lý do tại sao lớp Type3 giống như một sự chuyển đổi hơn.Có khả năng cao là một giải pháp trong danh mục này sẽ chuyển sang zkEVM lớp Type2 bằng cách cải thiện khả năng tương thích.
• So với lớp Type4, zkEVM tỏ ra chậm hơn.

Các dự án chính:

• Cuộn: Mạng thử nghiệm Pre-Alpha sẽ ra mắt vào tháng 9 năm 2022, mạng thử nghiệm Alpha sẽ ra mắt vào tháng 2 năm 2023 và mạng chính dự kiến sẽ ra mắt vào tháng 8 năm 2023. Scroll thuộc loại này một năm trước, nhưng hiện tại nó đang phát triển theo hướng Type2 zkEVM bằng cách cải thiện khả năng tương thích của Ethereum.
• Polygon zkEVM (Giải pháp ZK Rollup của nhóm Polygon): Phiên bản Mainnet Beta sẽ được ra mắt vào tháng 3 năm 2023. Nó thuộc Type3 zkEVM khi trực tuyến, nhưng nó hiện đang chuyển sang Type2 zkEVM.

Ngôn ngữ cấp cao tương thích với Type4 zkEVM

Ngành kiến trúc:

• Lớp này thực sự thuộc về zkVM (Zero-Knowledge Proof Virtual Machine, không phải Zero-Knowledge Proof Ethereum Virtual Machine).
• Có thể hiểu là tương thích ở cấp độ ngôn ngữ lập trình. Logic chung là: các nhà phát triển có thể tiếp tục viết hợp đồng thông minh bằng ngôn ngữ lập trình mà họ quen sử dụng trên Ethereum (chẳng hạn như Solidity). Loại dự án này sẽ sử dụng trình biên dịch để chuyển đổi ngôn ngữ lập trình này thành mã có thể đọc tùy chỉnh của họ (ví dụ: Starkware sử dụng trình biên dịch Warp để chuyển đổi mã Solidity thành mã byte Cairo; zkSync sử dụng trình biên dịch LLVM để chuyển đổi mã Solidity thành LLVM-IR tùy chỉnh của nó ) được biên dịch và thực thi trong môi trường tùy chỉnh của chúng (chẳng hạn như máy ảo Cairo của Starknet và máy ảo đồng bộ của zkSync).
• Mục tiêu là chi phí thấp, hiệu quả cao và thân thiện với bằng chứng không kiến thức tối đa.

lợi thế:

• Thời gian xác minh cực nhanh.
• Biên dịch trực tiếp từ một ngôn ngữ cấp cao có thể giảm đáng kể chi phí (thời gian, tiền bạc và công sức tính toán).
• Hạ thấp ngưỡng kỹ thuật để trở thành người chứng nhận và tăng mức độ phân quyền.
• Loại zkEVM này vốn có thể hỗ trợ Trừu tượng hóa tài khoản bằng cách sử dụng máy ảo tùy chỉnh của nó. Bởi vì chuỗi tương đương EVM không thể hỗ trợ trừu tượng hóa tài khoản, nên nó cần được triển khai thông qua ERC-4337 của Ethereum.

sự thiếu sót:

• Không thể sao chép một số lượng lớn các ứng dụng Ethereum hiện có vào loại zkVM này hoặc sẽ xảy ra sự cố trong quá trình sao chép: ví dụ: địa chỉ của hợp đồng trong hệ thống zkVM loại 4 có thể khác với địa chỉ trong EVM; Loại 4 zkEVM Không hỗ trợ mã byte EVM viết tay (và nhiều ứng dụng hiện đang sử dụng mã byte EVM viết tay để tiết kiệm phí gas); (đã đề cập trước đó rằng loại này tương thích với cấp độ ngôn ngữ mã Solidity thông qua trình biên dịch) trình biên dịch của nó hỗ trợ Một số tính năng của Solidity không được hỗ trợ.
• Các nhà phát triển Ethereum cần thực hiện các điều chỉnh phức tạp hơn nếu họ muốn triển khai các ứng dụng của mình cho các dự án như vậy. Do đó, so với các loại zkEVM trước đây, mức độ thân thiện với nhà phát triển của loại dự án này tương đối thấp, điều này có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ sinh thái và tốc độ lặp lại của công nghệ.
• Rất khó để tận dụng các hiệu ứng mạng và hệ sinh thái phức tạp và thịnh vượng hiện có của Ethereum.

Các dự án chính:

• Kỷ nguyên zkSync (giải pháp ZK Rollup do nhóm Matter Labs xây dựng): zkSync Lite (zkSync 1.0) sẽ ra mắt vào tháng 6 năm 2020. Nó chủ yếu hỗ trợ các kịch bản thanh toán (thanh toán) và trao đổi tài sản (hoán đổi) đơn giản, đồng thời không hỗ trợ hợp đồng thông minh Tương thích EVM;Kỷ nguyên zkSync (zkSync 2.0) sẽ ra mắt vào tháng 3 năm 2023. Có thể đạt được khả năng tương thích ở cấp độ ngôn ngữ cấp cao thông qua kiến trúc trên. Mục tiêu của zkSync không phải là khả năng tương thích với EVM mà là để tăng tốc độ tạo bằng chứng không có kiến thức.
• Starknet (Giải pháp ZK Rollup do nhóm Starkware xây dựng): Mainnet sẽ ra mắt vào tháng 11 năm 2021 và đã được cập nhật lên v0.12.0 vào tháng 7 năm nay. Bản thân nó thuộc về Type4 zkEVM và mục tiêu không tương thích với EVM. Nhưng hiện tại có những dự án như Kakarot trên đó, nhằm mục đích làm cho Starknet đạt đến mức độ tương thích tương tự như Type 2.5-3 zkEVM).

Dựa trên phân loại các zkEVM khác nhau của Vitalik vào năm 2022, kết hợp với tiến độ của từng dự án (tính đến tháng 8 năm 2023), chúng ta có thể tóm tắt ngắn gọn bằng hình sau:

Phân loại các dự án ZK Rollup chính thống

Tất cả các loại dự án chính của zkEVM

Biểu đồ so sánh các dự án tổng hợp ZK chính thống

Vitalik kết luận ở cuối bài viết của mình: “Cá nhân tôi hy vọng rằng theo thời gian, thông qua việc cải tiến zkEVM kết hợp với cải tiến của chính Ethereum, nó sẽ khiến (Ethereum) trở nên thân thiện hơn với ZK-SNARK, và cuối cùng mọi thứ sẽ ổn thỏa. lớp loại 1.

Trong tương lai như vậy, chúng tôi sẽ có nhiều triển khai zkEVM có thể được sử dụng cho cả ZK Rollup (mở rộng quy mô không kiến thức) và để xác thực chính chuỗi Ethereum. Về lý thuyết, Ethereum không cần phải có một đặc tả zkEVM được chuẩn hóa, duy nhất để sử dụng L1 (lớp đầu tiên); các khách hàng khác nhau có thể chọn sử dụng các bằng chứng khác nhau, vì vậy chúng tôi có thể tiếp tục hưởng lợi từ dự phòng cấp mã.

Tuy nhiên, sẽ mất khá nhiều thời gian trước khi một tương lai như vậy có thể thành hiện thực. Đồng thời, chúng ta cũng sẽ thấy rất nhiều đổi mới trong việc mở rộng Ethereum (chính nó) và các đường dẫn khác nhau của ZK Rollup dựa trên Ethereum. "

Đồng thời, cần nhấn mạnh rằng mặc dù phương pháp phân loại zkEVM chính thống trên thị trường là cách phân loại do Vitalik đưa ra vào năm 2022 (được trích dẫn trong bài báo này), nhưng cũng có các tiêu chuẩn phân loại khác. Và dù được phân loại như thế nào thì cũng không có sự phân biệt tuyệt đối giữa các loại zkEVM này. Chúng chỉ là sự đánh đổi giữa khả năng tương thích và tốc độ: Type1 zkEVM có khả năng tương thích cao nhất với Ethereum, nhưng chứng tỏ là chậm hơn (trong bản ZK Rollup); Type4 zkEVM ít tương thích hơn với Ethereum, nhưng xác minh nhanh hơn.

Tất nhiên, khả năng tương thích và tốc độ của zkEVM thực tế không phải là chỉ số duy nhất để các nhà phát triển xem xét nên sử dụng ZK Rollup nào để triển khai ứng dụng. Có nhiều yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến sự lựa chọn của họ, chẳng hạn như:

Phân cấp thứ tự giao dịch L2: Cho dù trình sắp xếp thứ tự/người đề xuất có được phân cấp hay không, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phức tạp của những người tham gia sinh thái và tính bảo mật của toàn bộ mạng;

Phí: Mã thông báo nào được sử dụng để trả phí và mô hình kinh tế mã thông báo của chuỗi công khai là gì;

Quy tắc tạo bằng chứng: Cơ chế khuyến khích cho chứng minh, tiêu chuẩn phần cứng để tăng tốc tạo bằng chứng;

Self-hosting: Có cơ chế rõ ràng để đảm bảo rằng tài sản của người dùng vẫn có thể được phục hồi trong L1 khi tai nạn xảy ra trong L2;

Tính khả dụng của dữ liệu: Chi phí cho tính khả dụng của dữ liệu hoàn chỉnh đương nhiên cao hơn. Có thể chấp nhận chế độ tính khả dụng của dữ liệu với chi phí thấp hơn được áp dụng bởi một số Bản tổng hợp ZK hay không.

Tuy nhiên, vì hầu hết các dự án ZK Rollup đa năng vẫn đang trong giai đoạn testnet nên nhiều yếu tố trên không thể so sánh theo chiều ngang.

Cuối cùng, loại của bất kỳ dự án zkEVM nào là không tĩnh. Với việc khám phá các kế hoạch khác nhau trong zkEVM và thậm chí là sự cải tiến của chính Ethereum, có thể tất cả các kế hoạch cuối cùng đều có thể đạt được hiệu quả của zkEVM Loại 1. Tại thời điểm đó, chúng tôi sẽ có nhiều triển khai zkEVM - cho cả ZK Rollup và để xác thực chính chuỗi Ethereum.

Cho đến lúc đó, chúng ta hãy mong chờ được thấy sự đổi mới liên tục trên các con đường khác nhau để nhân rộng Ethereum và ZK Rollup.