三分钟看懂zkEVM：以太坊扩容计划中的明珠
9月1日凌晨，以太坊扩容网络Arbitrum宣布主网公测版正式上线。 同时，Optimism已经对部分白名单应用开放。 在舞台上。
让我们把目光转向另一个L2扩容方案ZK Rollup：
zkSync 于 8 月 31 日宣布将推迟其 2.0 版本的推出。 基于zkEVM，zkSync 2.0有望成为第一个兼容EVM的ZK Rollup；
8月13日，Polygon宣布以2.5亿美元收购以太坊二层扩容解决方案Hermez。 Hermez 的核心技术是其 zkEVM 解决方案；
同样在8月13日，以太坊基金会在一篇定期发布其支持团队的研发进展的文章中表示，在过去的几个月里，它已经资助组建了一个团队来开发zkEVM。
我们知道，Vitalik在对比两种扩容方案时表示，短期内Optimistic Rollups在一般EVM计算上很可能胜出，但从中长期来看，随着ZK-SNARK技术的提升，ZK Rollups将胜出所有场景。 所谓“ZK-SNARK技术的改进”，主要是指zkEVM的成功。
可见，zkEVM 已经成为以太坊扩容计划皇冠上的明珠。 作者希望通过本文，让读者了解zkEVM的基本原理和发展现状。
zkEVM的作用
要弄清楚 zkEVM 的作用，我们需要一些先验知识。
让我们从以太坊开始以太坊账户原理，它本质上是一个基于交易的状态机。
从以太坊的创世状态开始，经过一个又一个区块的交易，会转化为最终状态，也就是以太坊的当前状态，包括所有账户地址及其映射的账户状态。
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其中，EVM专门负责处理交易，即以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine）。 EVM 作为堆栈机器运行。 程序员使用Solidity等高级语言编写代码，然后将代码编译成EVM可以理解的EVM字节码，像各种EVM指令一样进行标准的栈操作，最后生成新的状态。
现在问题来了。 我们知道，ZK Rollup 方案需要在第二层为交易生成零知识证明，然后传回第一层进行验证。 要生成零知识证明，交易的处理需要符合 zk 电路证明的规范。 在EVM设计之初，显然没有考虑支持零知识证明（毕竟是6、7年前的事了，零知识证明并没有进入大多数人的视野）。 在网络上，兼容 EVM 且对零知识证明友好的虚拟机。
两种实施策略
对于zkEVM以太坊账户原理，目前主要有两种实现策略：
对于第一种策略，由于它完全支持EVM现有的指令集，使用了与EVM相同的编译器，自然而然地完全兼容现有的生态系统和开发工具，同时更好地继承了以太坊的安全模型。
至于第二种策略，由于不受原有EVM指令集的约束，代码可以更灵活的编译成对零知识证明更友好的指令集，同时也摆脱了所有需要的兼容性原始 EVM 指令集。 艰巨而繁重的工作。
总的来说，第一种策略兼容性较好，安全性较高，但工作量较大； 第二种策略更灵活，工作量更小，但需要额外努力适应。
与Hermez zkEVM的主要方案对比
Hermez 使用第一种策略，将所有 EVM 指令集翻译成中间指令（微操作码）。
众所周知，EVM有一些变长指令，比如CALL、EXP、CREATE等，这些指令本身对zk电路证明是不友好的，而这些指令的逻辑可以通过使用中间指令来表达得更友好。 中间指令在uVM中执行，使用大量密码学工具实现zk完备，并使用Plookup算法提高证明和验证效率。
Hermez zkEVM 实现的另一个亮点是它同时使用了两套证明系统。 具体来说，它生成一个STARK证明，然后使用PLONK或者Groth16为STARK证明生成一个证明，并在一层进行验证。 一个过程就像一个证明。 原因是STARK虽然优秀，但是证明规模大，链上验证的开销也大，而Groth16或者PLONK的证明规模更小，验证速度更快。 这种将两者结合起来，取长补短的方法，很容易让人联想到非对称加密算法和对称加密算法结合使用的场景。
应用 ZKP zkEVM
AppliedZKP zkEVM 和Hermez一样采用第一种策略。
AppliedZKP采用数据总线（Bus Mapping）的思想，将存储和计算分离。 基于Bus Mapping提取的正确存储数据，通过State证明证明数据的一致性，通过EVM证明证明计算逻辑的正确性。
具体过程如下：
zk同步EVM
与 Hermez 和 AppliedZKP 不同，zkSync 选择了第二种策略。 zkSync 的 zkEVM 不是 EVM 的复制品，而是一种全新的设计，能够运行 99% 的 Solidity 合约，并确保它们在各种情况下都能正常工作，包括回滚和异常。 同时，zkEVM 可用于高效生成电路中的零知识证明。
zkSync EVM使用TinyRAM实现普通指令集，而SHA256/keccak等消耗Gas较多的指令则专门实现其电路，最后使用递归聚合技术将所有证明聚合为一个以提高效率。
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zkSync 还为 zkEVM 开发了两个编译器前端：Yul 和 Zinc。 Yul 是一种中间的 Solidity 表示，可以为不同的后端编译成字节码； Zinc 是一种基于 Rust 的语言，专为智能合约和通用零知识证明电路而开发。 这给了开发者更多的选择。
同时，zkSync在构建自己的编译器时，选择了LLVM这一目前最先进的工业级产品编译器框架，确保编译器足够完善，经典的优化都有。
写到最后
在众多优秀团队的不断努力下，zkEVM技术逐渐成熟。 预计将在半年左右实施。 届时，兼容EVM的ZK Rollup扩容方案必将大放异彩。
今天的区块链技术正在进入一个前所未有的争议时代。 从公链的竞争，到以太坊扩容方案的比拼，甚至具体到某个具体的扩容方案，都有不同的项目方在互相追赶。 笔者有幸身处区块链技术最为生机勃勃的时代。
