Scroll 研究：zkEVM 的設計挑戰和解決方案

來源：Scroll Tech

編譯：餅乾，鏈捕手

概述

zk-Rollup 是一種非常便宜且安全的以太坊二層擴展解決方案。然而，現有的 zk-Rollup 只限於特定應用程序使用，這使得開發人員在 zk-Rollup 中構建通用的可組合 DApp 和遷移現有應用程序變得困難。我們通過引入 zkEVM 生成 zk 證明用於 EVM 驗證來構建完全兼容 EVM 的 zk-Rollup，任何以太坊應用程序都可以輕鬆遷移到該 zk-Rollup。

本文介紹 zkEVM 的設計挑戰以及可行性，並提出了從零開始構建 zkEVM 的詳細方案。

背景

zk-Rollup 是公認的以太坊最佳擴容解決方案。不僅具有以太坊 Layer 1 的安全性，並且與所有其他 Layer 2 解決方案相比，交易速度最快。

從中長期來看，隨著 ZK-SNARK 技術的改進，ZK rollups 將在所有用例中勝出。--- Vitalik Buterin

zk-Rollup 的基本理念是將大量交易聚合到一個 Rollup 塊中，並為鏈下的塊生成簡潔的證明。然後 Layer 1 上的智能合約只需要驗證 zk-Rollup 的證明並直接更新狀態，無需重新執行那些交易。證明驗證狀態比重新執行計算的 gas 費用便宜很多，另外數據壓縮（即只保留最少的鏈上數據進行驗證）有利於降低 gas 費用，這樣的交易流程節省一個數量級的 gas 費用。

儘管 zk-Rollup 安全高效，但很難構建通用 DApp，其應用仍僅限於支付和互換（swap），主要是以下兩個原因：

首先，在 zk-Rollup 中開發 DApp 需要使用特殊的編程語言（即 R1CS）來編寫智能合約的邏輯。該編程語言的語法複雜，而且要求開發者精通零知識證明。

其次，當前的 zk-Rollup 不支持可組合性[1]。這意味著多個的 zk-Rollup 應用程序不能在 Layer 2 內相互交互，極大地降低了 DeFi 應用程序的可組合性。

簡而言之，目前 zk-Rollup 對開發人員不友好並且功能有限。我們希望解決這些問題，通過直接支持原生 EVM 驗證，為開發人員提供快速開發體驗，支持 Layer 2 內應用程序的可組合性，以便現有的以太坊應用程序可以輕鬆遷移到 zk-Rollup 上。

在 zk-Rollup 中構建通用 DApp

在 zk-Rollup 中有兩種構建通用 DApp 的方法。

• 為不同的 DApp 構建專用電路（"ASIC"）
• 為智能合約執行構建一個通用的 "EVM" 編碼

"電路（circuit）"是指零知識證明中使用的程序表示方法。例如，如果要證明 hash(x) = y，則需要使用 ASIC 電路重新編寫散列函數。電路只支持非常有限的計算表達式（例如 R1CS 只支持加法（add）和乘法（mul））。因此，開發人員使用電路語言編寫程序的過程非常困難，必須使用 add 和 mul 構建所有程序邏輯（包括 if else、循環等）。

第一種方法要求開發人員為不同的 DApp 設計專門的 "ASIC" 電路，這需要使用零知識證明最原始的方式。通過設計定制電路減少每個 DApp 的成本。然而，由於電路是 "靜態的"，不能為應用提供可組合性，並且需要專業的電路設計知識，因此開發體驗很糟糕[2]。

第二種方法不需要任何特殊的設計或電路專業知識。這種基於機器證明的高級思想讓任何程序可以在 CPU 上運行，因此開發者只需要構建一個通用的 CPU 電路來驗證底層步驟。然後使用這個 CPU 電路來驗證程序的執行。在此場景中，程序指的是智能合約，CPU 則是 EVM。但是，由於成本過高，過去幾年並沒有普遍採用這種方法。例如，即使開發者只想增加一個驗證步驟，就需要承擔整個 EVM 電路的成本。如果執行跟蹤中有數千個步驟，那麼 EVM 電路成本將是 1000 倍。[3]

最近，有很多研究在按照這兩種方法優化 zk 證明，包括：

（i）提議新的零知識證明友好型語言 Poseidon hash，其在電路中的效率是 SHA256 的 100 倍

（ii）通用可驗證虛擬機，如 TinyRAM

（iii）越來越多的通用優化技巧，如 Plookup，以及運行速度更快的密碼學庫。

我們之前建議為每個 DApp 設計 "ASIC" 電路，通過驗證密碼進行通信。但是，根據社區的反饋，我們改變了優先級，將重點放在第二種方法，優先構建通用 EVM 電路（所謂的 "zkEVM"）。zkEVM 將支持與 Layer 1 完全相同的開發體驗。我們不會將底層設計的複雜性留給開發人員，而是通過定制的 EVM 電路設計來解決效率問題。

zkEVM 的設計挑戰

zkEVM 很難構建，與 TinyRAM 不同，zkEVM 的設計和實現更具挑戰性，原因如下：

首先，EVM 對椭圓曲線的支持有限。目前，EVM 僅支持 BN254 配對，不直接支持循環椭圓曲線，因此很難進行遞歸證明。其他專用協議在此限制下也很難使用，除非是 EVM 兼容的驗證算法。

其次，EVM 字長為 256 位。EVM 在 256 位整數上運行（大多數常規 VM 在 32-64 位整數上運行），而 zk 證明在素數域上工作。在電路內部進行 "不匹配場算術" 需要範圍證明，這將在每個 EVM 步驟中增加大概 100 個約束，導致 EVM 電路尺寸擴大兩個數量級。

第三，EVM 有很多特殊的操作碼。EVM 與傳統 VM 不同的是有許多特殊的操作碼，例如 CALL，還有執行上下文和 gas 相關的錯誤類型。這將給電路設計帶來新的挑戰。

第四，EVM 是基於堆棧的虛擬機。SyncVM ( zksync ) 和 Cario (starkware) 架構在基於寄存器的模型，並定義了特定的 IR/AIR。需要專門的編譯器將智能合約代碼編譯成新的 zk 友好的 IR。這種方法是語言兼容而不是原生 EVM 兼容，基於堆棧的模型和直接支持原生工具鏈更難實現。

第五，以太坊存儲佈局的成本太大。以太坊存儲佈局高度依賴 Keccak 和 MPT [4]，它們都不是 zk 友好類型，並且會產生高昂的成本。例如，Keccak 哈希的電路大小是 Poseidon hash 的 1000 倍。但是，如果將 Keccak 替換為另一個哈希，則會對現有的以太坊基礎設施造成一些兼容性問題。

第六，基於機器的證明有高昂的成本。即使能夠妥善處理上述所有問題，仍然需要找到一種有效的方法將它們組合在一起以獲得完整的 EVM 電路。正如我在上一節中提到的，簡單的操作碼 add 可能會導致整個 EVM 電路的成本。

為什麼 zkEVM 有可能實現？

感謝研究人員在這方面取得的巨大進步，近兩年來解決的效率問題越來越多，證明了 zkEVM 的可行性！主要的技術進步來自以下幾個方面：

多項式承諾（polynomial commitment）的使用。在過去的幾年裡，大多數零知識證明協議都在使用 R1CS，PCP 查詢被編碼到了特定於應用的受信任起步設置（trusted setup）中。這種情況通常會使電路會超出負載，並且無法進行自定義優化，因為每個約束的程度需要為 2（雙線性配對（bilinear pairing）僅允許指數中的一次乘法）。開發者使用多項式承諾方案可以通過通用設置（universal setup）或者透明設置（transparent setup）將約束提升到任何程度，大幅提高後端的選擇的靈活性。

數據表查詢參數和自定義小工具。優化數據表查詢參數首先由 Arya 中提出，然後在 Plookup 中進行優化。這可以為 zk 不友好的編程語句（例如 AND、XOR 等）省略很多按位運算。定制小工具可以讓開發者高效地進行高度約束。 TurboPlonk 和 UltraPlonk 定義了優雅的語法，以便開發者更輕鬆地使用查詢數據表和自定義小工具。這對於減少 EVM 電路的成本非常有幫助。

遞歸證明的可行性越來越高。在過去遞歸證明依賴於特殊的循環椭圓曲線（即基於 MNT 曲線的構造），需要大量的成本。目前更多的技術在不犧牲效率的前提下改變這種依賴情況。例如，Halo 可以配對友好椭圓曲線，並使用特殊的內積參數來分攤遞歸成本。Aztec 表明可以直接對現有協議進行聚合證明（查詢數據表可以減少非本地字段操作的成本，從而降低驗證電路的成本）。這種方法可以極大地提高電路負載量的可擴展性。

硬件加速更加高效。我們製造了 GPU 和 ASIC/FPGA 加速器，並且關於 ASIC 證明者的論文已經被最大的計算機會議（ISCA）接受。GPU 證明器比 Filecoin 的實現快大約 5 到 10 倍。這將大幅提高證明器的計算效率。

zkEVM 是如何工作的，如何建造它呢？

除了強大的直覺和技術改進之外，我們還需要更清楚地知道我們需要證明什麼，並制定出更具體的架構。我們將在後續文章中介紹更多技術細節和比較。在這裡，我們描述了總體工作流程和一些關鍵思想。

開發人員和用戶的工作流程

開發人員可以使用任何與 EVM 兼容的語言來運行智能合約，並將編譯後的字節碼部署在 Scroll 上。然後，用戶可以發送交易與智能合約進行交互。用戶和開發者的體驗將與 Layer 1 完全相同。但是，gas 費用顯著降低，並且在 Scroll 上的交易訂單即時預先確認（提款只需幾分鐘即可完成）。

zkEVM 的工作流程

即使 Layer 1 和 Layer 2 表面上的工作流程沒有太多差別，但二者的底層處理過程完全不同：Layer 1 依賴於智能合約的重新執行；Layer 2 依賴於 zkEVM 電路的有效性證明。

讓我們更詳細地解釋 Layer 1 和 Layer 2 交易的情況有何不同。

在 Layer 1，智能合約的字節碼存儲在以太坊存儲中，交易將在 P2P 網絡中廣播。對於每個事務，每個全節點都需要加載相應的字節碼並在 EVM 上執行以達到相同的狀態（事務將作為輸入數據）。

Layer 2 的智能合約字節碼也以相同的方式進行操作，但後續步驟是交易將鏈下發送到一個集中的 zkEVM 節點。然後，zkEVM 執行字節碼並生成一個簡潔的證明，以證明在應用交易後狀態已正確更新。最後，Layer 1 合約將驗證證明並更新狀態，而無需重新執行交易。

讓我們深入了解一下執行過程，看看 zkEVM 最終需要證明什麼。在原生執行中，EVM 首先加載字節碼，然後從頭開始逐個執行字節碼中的操作碼，對每個操作碼執行以下三個子步驟：

（i）從堆棧、內存或存儲中讀取元素

（ii）對這些元素執行一些計算

（iii）將結果寫回堆棧、內存或存儲。[5]例如，add 操作碼需要從堆棧中讀取兩個元素，將它們相加並將結果寫回堆棧。

所以 zkEVM 的證明需要包含與執行過程相對應的以下幾個方面：

• 字節碼從存儲中正確加載（以便虛擬機正確地運行從給定地址加載的操作碼）
• 字節碼中的操作碼逐個執行（字節碼按順序執行，不會丟失或跳過任何操作碼）
• 每個操作碼都正確執行（每個操作碼中的三個子步驟都正確執行讀寫和計算）

zkEVM 設計亮點

在設計 zkEVM 的架構時，我們需要處理/解決上述三個問題。

第一，為密碼驗證器設計一個電路。這部分就像一個 "可驗證的存儲"，我們通過使用密碼驗證器這種技術手段來保證驗證結果的正確性。[6]以默克爾樹為例，部署的字節碼將作為葉節點存儲在 Merkle 樹中。然後驗證者可以使用簡潔的證明來驗證從給定地址加載的字節碼（即驗證電路中的默克爾路徑）。對於以太坊存儲，則需要電路兼容 Merkle Patricia Trie 和 Keccak 哈希函數。

第二，設計一個電路來將字節碼與真實的執行產生關聯。將字節碼轉移到靜態電路中會帶來一個問題：像 jump 這樣的條件式操作碼（與智能合約中的 loop、if else 語句相對應）可能會跳轉到任何地方。在某個人使用特定輸入運行該字節碼之前，跳轉目的地都是不確定的。這就是為什麼我們需要驗證實際的執行踪跡。執行踪跡可以被認為是 "展開的字節碼"，包含按實際執行順序排列的操作碼（即，如果你跳轉到另一個位置，踪跡中將包含該目標操作碼和位置）。

證明者將直接提供執行踪跡作為電路的見證數據。我們需要證明該執行追蹤是通過特定字節碼使用特定的輸入 "展開" 的工作，目的是強制讓程序計數器的值保持一致。針對目的地不確定的問題，解決思路是讓證明者提供一切數據。然後通過查找參數高效地檢查一致性（即，證明帶有準確全局計數器的操作碼包含在 "總線" 中）。

第三，為每個操作碼設計電路（證明每個操作碼中的讀寫和計算都是正確的）。這是最重要的部分，證明執行跟蹤中的每個操作碼都是正確且一致的。如果將所有東西直接放在一起，將會帶來高昂的成本。這裡的優化方案是：

1）我們將讀寫和計算分成兩個證明。一個證明會將所有操作碼用到的元素都放到 "總線" 中，另一個證明會證明對 "總線" 上元素的計算是正確執行的。這會大幅降低每個部分的成本（生成計算證明時無需考慮整個 EVM 存儲）。前者被稱為 "狀態證明"，後者被稱為 "EVM 證明"。另一個發現是，查找聲明可以有效處理 "總線映射"。

2）我們可以為每個操作碼設計度數更高的定制化約束（即，我們可以將一個 EVM word 切分成多個數據塊，以便更高效地處理）。我們可以選擇是否根據需求通過一個選擇符多項式來 "打開" 一個約束。這樣可以避免每個操作都要消耗整個 EVM 電路的成本。

這個架構最初由以太坊基金會提出，依然處於早期階段，正在積極開發中。我們正在與以太坊基金會進行密切合作，旨在找到最佳方式實現該 EVM 電路。迄今為止，我們已經定義了 EVM 電路最重要的特點，並（使用 Halo2 庫中的 UltraPlonk 語法）實現了一些操作碼。更詳細的內容將在後續文章中介紹。我們推薦感興趣的讀者閱讀這篇文檔。開發流程將是透明化的。這將是集整個社區之力的完全開源的設計。希望會有更多人加入進來，貢獻出一份力量。

zkEVM 還能帶來什麼？

zkEVM 遠不僅僅是 Layer 2 擴容。我們可以將它理解為通過 Layer 1 有效性證明擴展以太坊 Layer 1 的直接方式。這意味著不需要任何特殊的 Layer 2 就可以擴展現有的 Layer 1。

例如開發者可以將 zkEVM 當作全節點來使用，該證明可以用來直接證明現有狀態之間的轉換。所有 Layer 1 交易無需將任何東西遷移到 Layer 2 上，你可以直接證明！更寬泛地說，你可以使用 zkEVM 為整個以太坊生成簡潔證明，就像 Mina 那樣。唯一需要增加的東西是證明遞歸（將區塊的驗證電路嵌入 zkEVM）[7]。

結論

zkEVM 可以為開發者和用戶提供相同的體驗。在不犧牲安全性的情況下，它的價格要便宜幾個數量級。已經提出了以模塊化方式構建它的架構。它利用最近在零知識證明方面的突破來減少成本（包括自定義約束、查找參數、證明遞歸和硬件加速）。我們期待看到更多的人加入 zkEVM 社區，與我們一起集思廣益！

備註：

[1]: Starkware 於 2021 年 9 月 1 日的公告中聲明已實現可組合性。

[2]: 電路是固定且靜態的。例如，在將一個程序實現為電路時，你無法使用可變上限循環。上限必須固定為最大值。電路無法處理動態邏輯。

[3]: 為便於讀者理解，我們在這裡詳細說明 EVM 電路的成本。正如前文所言，電路是固定且靜態的。因此，EVM 電路需要包含所有可能的邏輯（這個體量是僅包含 add 的電路的 10000 倍）。這就意味著，即使你只想證明 add，你依然需要負擔該 EVM 電路中可能包含的所有邏輯的成本。也就是說，成本被放大了 10000 倍。在執行追蹤中，你需要證明一連串操作碼，而且每個操作碼都會帶來高昂的成本。

[4]: EVM 本身並沒有與默克爾-帕特里夏樹（MPT）緊密綁定。目前，MPT 僅用於存儲以太坊狀態。要換一個很容易（有人提議使用 Verkle 樹替換掉 MPT）。

[5]: 這是經過高度簡化的抽象概念。從技術上來說，"EVM 狀態" 的名單更長，包括程序計數器、gas 餘量、調用棧（以上所有加上堆棧中每次調用的地址和靜態）、一組日誌和交易範圍變量（熱存儲槽、退款、自毀）。我們可以另外引入針對不同調用環境的標識符來直接支持可組合性。
[6]: 由於存儲量很大，我們使用累加器進行存儲。內存和堆棧可以使用可編輯的 Plookup（我們可以通過這種方式有效地實現 "RAM"）。

[7]: 將一個完整的遞歸證明添加進 zkEVM 電路並非易事。實現遞歸的最好方式還是使用循環椭圓曲線（即，Pasta 曲線）。我們需要引入某種 "包裝（wrapping）" 過程讓遞歸在以太坊 Layer 1 上可驗證。