什么是zkEVM 它如何增强以太坊生态系统？

作者：Manta Network 联合创始人Kenny Li  翻译：金色财经0xnaitive

本文要点：

零知识以太坊虚拟机 (zkEVM) 是一种以太坊状态机，可以与零知识证明 (ZKP) 技术兼容的方式执行智能合约。

zkEVM 扩展了以太坊上零知识rollup (zk-rollups) 的功能，以支持去中心化应用程序 (DApp)。

zkEVM 可以轻松部署现有的以太坊项目和使用ZKP的新项目，以增强以太坊生态系统。

前言

以太坊开发人员在 2014 年**提出以太坊网络时并没有考虑ZKP 技术。然而，近年来，ZKP 受到了关注，并有望在区块链领域发挥更加突出的作用。因此，将 ZKP 技术与以太坊的虚拟机相结合的努力已经加强。

要了解什么是 zkEVM，让我们首先简要回顾一下它的两个基本概念：zk-rollups 和 EVM。

什么是 Zk-Rollup？

Rollup 是一种扩展解决方案，它在主链之外编译大量交易执行，并将数据作为单个交易发送回主网络。这个过程增加了吞吐量，同时降低了执行这些交易的成本。

在以太坊上，一个Rollup中的交易被压缩并提交给以太坊主网，支付验证单笔交易的费用。以太坊主网提供结算并验证汇总中包含的交易数据。

zk-rollup是一种使用 ZKP 技术的rollup，ZKP 技术是一种加密技术，可以在不泄露信息本身的情况下验证一条信息的有效性。zk-rollups 不需要将所有交易数据发布到以太坊主网；他们只需要状态差异（例如用户帐户状态的更改）和有效性证明，从而降低过程中Gas费。

zk-rollups的安全性来自于ZKP密码学，通过密码学的手段来验证证明，实现去信任化。这与optimistic rollups等其他 rollup 不同，后者的安全性来自经济学博弈论，在该理论中，不良行为者会因潜在损失而失去动力，而挑战者会受到激励。

什么是 EVM？

EVM 是运行以太坊账户系统和智能合约的状态机。每次智能合约执行都会触发 EVM 从旧状态转换到新状态。EVM 定义了计算从一个区块到另一个区块的新状态和有效状态的规则。

状态是以太坊中的一个重要概念。它是一个 Merkle Patricia Trie 数据结构，代表以太坊的当前状态，并允许任何人从当前区块一直追踪交易信息回到创世区块。

所有参与维护以太坊的节点都存在以确保连续性和共识，这使得每个节点都可以看到确切的当前状态。EVM 在保持这种一致性方面发挥着关键作用。

ZkEVM 如何工作？

EVM 默认不支持 ZKP。zkEVM 旨在确保以太坊状态的连续性，同时提供所有信息正确的证据。这样，在维护安全性和隐私性的同时，验证了这些过程计算中涉及的各种因素。

zkEVM 通过将以太坊环境**为 zk-rollups 来做到这一点。它获取初始状态，计算所有交易，然后输出一个新的更新状态以及随附的 ZKP。该证明被提交给验证者智能合约，该合约检查初始状态和新状态输出的正确性，而无需单独验证所有交易。

由于 zkEVM 基于 EVM，开发人员能够轻松地将以太坊 DApp 和智能合约移植到 zkEVM，而无需进行 ZKP 开发工作。换句话说，zkEVM 允许 zk-rollups 执行智能合约，此外还有以前在没有 zkEVM 的情况下支持的代币交换和支付。

由于 EVM 的兼容性特性，开发人员可以使用现有的 EVM 工具和编程语言 Solidity 构建新产品，同时享受 zkEVM 带来的增强安全性。同样的好处也适用于用户——他们可以继续使用相同的 DApps 和熟悉的工具，但具有更高的安全性和隐私性。

EVM 兼容性与 EVM 等效性

当区块链被称为 EVM 兼容时，这意味着它提供了一个可以部署以 Solidity 编程语言编写的 DApp 的环境。Solidity 专为开发在以太坊网络上运行的智能合约而设计。

事实上，以太坊开发人员可以从以太坊**和粘贴现有 DApp 的代码，并以最少的修改将其部署到其他 EVM 兼容链上。对于用户来说，任何兼容 EVM 的链地址都与他们的以太坊地址相同。

这意味着地址与 Metamask 和 Trust Wallet 等主流钱包兼容。目前，主要的EVM兼容链包括BNB Chain、Avalanche C-Chain和Pogon。

不要将 EVM 兼容性与 EVM 等效性混淆，EVM 等效性意味着从 DApp 开发人员的角度来看，2 层rollup与以太坊第 1 层几乎相同。

如果用操作系统来类比，EVM 等效性类似于通过 Apple Cloud 恢复文件和设置，如果用户之前的计算机和新计算机都运行在 Apple 的操作系统上。

相比之下，EVM 兼容性意味着如果一台新电脑切换到 Windows 系统，则需要通过云存储下载原始文件并转换以恢复**设置和旧文件。

不同类型的 ZkEVM

直接使用 EVM 生成和验证 ZKP 非常慢，因为以太坊最初设计并不支持 ZKP 技术。在某些情况下，这可能需要长达几个小时。然而，必须在 EVM 兼容性和 ZKP 效率之间取得平衡。

以太坊创始人 Vitalik Buterin 将 zkEVM 分为以下四种类型。类似于区块链不可能三角，它们各自在 ZKP 性能效率和 EVM 兼容性之间有不同的权衡。

类型一：共识级等价——zkEVM完全等价于以太坊

在共识层面，Type 1 zkEVM——也称为 enshrined rollup——相当于以太坊，zkEVM 链状态和交易与以太坊相同。它们可以相互验证块并直接与以太坊执行客户端一起使用。

Type 1 zkEVM 使以太坊本身更具可扩展性，可以直接引入以太坊主网上。缺点是ZKP效率极差，需要大量的计算来验证。解决方案是在未来为zk-SNARKs使用大规模并行验证者或专用集成电路。

具有高 ZK 效率的类型 1 zkEVM 将是最理想的 zkEVM 形式。目前，有许多项目正在构建或探索这种类型的 zkEVM。

类型 2：字节码级等价——完全等价于 EVM

Type 2 完全等价于 EVM 而不是以太坊。它在数据结构（如区块结构和状态树）方面不同于以太坊，并删除了一些对 ZK 不友好的堆栈操作。

它与以太坊现有的 DApp、调试工具和开发者基础设施完全兼容。字节码级等价可以加快证明时间，尽管不是很明显。Type 2 一个明显的缺点是它很昂贵，与 ZK 没有协同作用，效率低且昂贵。

类型2.5：与 Type 2 类似，但修改了 gas 费用

Type 2.5 具有 Type 2 的优点和缺点，但 gas 费用略低。

类型 3：字节码级等价——几乎等同于 EVM

Type 3在Type 2的基础上进一步牺牲了兼容性来提高ZK效率。它删除了一些在 zkEVM 上难以实现的功能，例如预编译，因此一些需要使用此功能的 DApp 代码必须重写。

类型4：开发语言级等价——**语言等价于EVM

类型 4 EVM 具有**的 ZK 性能，但兼容性相对较差。

结束语

zkEVM 实现的主要目的是将 ZKP 计算的支持扩展到智能合约执行，并在此过程中将DApps扩展到所有 EVM 兼容协议。但 ZKP 的应用并不止于此。

ZKP 技术可能与Web2用例兼容。将各种 Web2 用例与 ZKP 相结合可以使 Web3 应用程序更加流畅和用户友好。它还会授予已经习惯使用传统互联网浏览器的用户访问Web3 的权限，进而推动 Web3 的采用。