zk、zkVM、zkEVM及其未来-Toy模板网

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1. 引言

zk（zero-knowledge）proof：可保证计算的完整性、正确性和隐私性，在区块链扩容和隐私领域大有可为。
zk-SNARK和zk-STARK各具优势，二者结合潜力无穷。
zkVM可为应用增加零知识证明，zkVM可以按mainstrem、EVM或新构建的指令集进行分类。
EVM兼容性包括EVM兼容性、等价性和规范级兼容性。
zkEVM是一个EVM兼容且零知识证明友好的环境。它可以分为基于Native的解决方案和基于编译器的解决方案。
Native zkEVM为以太坊和区块链的未来。
支持Solidity语言的zkVM为Web3的未来。

2. 零知识证明

一个易于理解的零知识证明定义：
你在上小学。老师是Verifier，而你（学生），是Prover。你如何证明你知道解二次方程的公式？那需要数学考试。
老师会随机给你10道与二次方程有关的问题，如果你已经掌握了，你可以全部作答。在这个过程中，你不会记住或写下精确的公式，但老师可以简单地验证你对二次方程的理解。
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事实上，这就是Tartaglia and Cardano 两人争论谁是形如 $x^3+bx=c$ 三阶方程解决方案的方面人。两人都不想告诉对方其各自的共识，但是通过随机问题集，在不泄露其各自knowledge的情况下很容易进行验证。

零知识证明的用途是什么？其用途是，整个过程节省了算力，压缩了区块链上的空间，同时也保留了隐私，符合区块链的不可信任和加密性质。

3. SNARK VS STARK

区块链领域的“zk”通常并不是真正的零知识证明，但是通常是有效性证明（validity proof）。
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在当前的区块链世界中，zk可以说是最前沿和最佳的解决方案，用于扩容（没有zk的有效性证明validity proof）和隐私（真正的zk）。zk广泛应用于Tornado.cash、ZCash、zkSync、zk.money、Filecoin和Mina。

当前的技术方案主要分为2大类：

SNARK：全称为Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge。
STARK：全称为Scalable Transparent Argument of Knowledge。

STARK中的“S”代表的是Scalable，意味着待证明的statement具有repeated structure。
而SNARK支持任意电路，可对电路进行预处理来实现succinct proof。
SNARK的技术实践更占主导地位，STARK在生产中主要被StarkWare大规模采用。以下是它们之间的比较：
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就meme而言，STARK要优于SNARK（STARK有：权力的游戏、漫威宇宙、星球大战和星际迷航等）。

若说以太坊2.0的未来是SNARK，那么以太坊3.0的未来将是STARK。总的来说，STARK的优势主要有：

更低的gas费（scalable）
更大的batch size（scalable * 2）
更快的证明速度（scalable * 3）
无需trusted setup（所生成的参数仅对当前应用有效，若应用改变需要重新设置）
抗量子安全性

但是，STARK生成的proof要更大一些。由于类似WASM的一些限制，在构建时可能需要额外的操作（但本例使用SNARK）。作为Plonky2的一部分，Mir之前在Starky中进行了一次AIR-based STARK 实践（Plonky2和Starky之间的关系很复杂……）。不过个人认为，可以通过各种方法优化STARK proof大尺寸的问题，但算法本身的时间复杂度很难进一步压缩。

这些零知识证明技术可结合使用来构建更强大的应用。如，Polygon Hermez使用SNARK来验证STARK的正确性，从而当该proof finally settled时可减少gas费。

总之，SNARK和STARK两者都是很赞的零知识证明技术，各有优势，结合潜力更大。

4. zkVM

之前提到的Tornado.cash 和 zk.money均为仅支持transfer操作的零知识证明应用，并不支持通用计算。类似地，这些应用程序只有比特币的功能，远不及以太坊（Ethereum）的图灵完整性和DApp生态系统（比特币上的智能合约并不适用）。

zkVM是一种虚拟机，通过零知识证明来保证安全和可验证的可信度。zkVM只是一台机器——输入旧的状态和程序，并以可信的方式返回新的状态。它允许所有应用程序都被赋予零知识证明的超级能力。

Miden在ETH Amsterdam的演讲以一张图很好的解释了zkVM究竟是什么：
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zkVM的优势有：

易于使用：开发者可使用zkVM以trusted manner方式来运行程序，而不需学习密码学或开发zk circuits（但并不意味着没有门槛）。
普适性：zkVM可为任意程序或计算生成proof。
简单性：以相对少的约束数可描述整个VM（不需要重复生成整个VM circuit）。
递归性：自由递归特性。与普适性一起，可由VM来验证VM。这很有趣，可将一个zkVM放入某zkVM中，类似StarkWare的L3概念。

zkVM的劣势有：

计算架构的特殊性：并非所有零知识证明系统都可以用于zkVM。
性能问题：需要优化电路，并且可以针对特定计算进行优化。

主要有3种类型的zkVM，括号内为其相应的指令集：

mainstream（WASM, RISC-V）
EVM（EVM bytecode）
ZK-Optimized（专为零知识证明优化的新型指令集，如Cairo的指令集和zkSync的指令集）

以下为这些zkVM类型的对比，源自 Miden在ETH Amsterdam的演讲：
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大多数的零知识证明开发生态都支持开发者使用Cirom库（和snarkyjs）或其它新创建的语言（Leo或Cairom，有一些奇怪的限制）来进行zk DApp开发，但是，这并不如在以太坊上使用Solidity来得直观易学。

此外，还有很多项目，如zkSync/Scroll，或Polygon旗下的多个项目，都试图在开发自己的zkEVM或zkVM。

5. EVM

EVM全称为Ethereum virtual machine，可认为是运行智能合约的执行环节。
多年来，不同的区块链都试图是EVM兼容的，以可访问以太坊的开发生态，为此，派生出了EVM兼容性、等价性、以及一些其它定义：

EVM Compatibility（EVM兼容性）：Solidity等语言层面的兼容性。
EVM Equivalence（EVM等价性）：EVM bytecode层面的兼容性。
EVM Specification-level Compatibility（EVM特定层面的兼容性）：通常是指真正的zkEVM。大多数情况下，其后向兼容optimized supersets，可提供账号抽象（即每个账号是一个智能合约）以及其它Layer1 EVM未提供的特性。

6. zkEVM

zkEVM定义为：
EVM兼容的且零知识证明优化的虚拟机，可保证程序、操作、输入和输出的正确性。

为实现通用计算的zkEVM，主要有2大困难需解决：

a）电路复杂性：不同的合约需要生成不同的电路，这些电路是复杂的。这需要依赖不同的优化，如Aleo（但它并不是直接ZK，在此仅用作优化举例）通过分布式集群来并行计算证明，或通过不同的硬件优化来加速。
b）设计复杂性：zkEVM不仅是对EVM的重构，更是对采用零知识证明技术对整个以太坊状态变更的重构（为EVM的超集）。
EVM设计时，并未考虑到后面要实现zkEVM，这就使得其很难实现。为此，导致了现在有2条路径，具体如下图所示：

从VM架构的角度来看，有：

其中：
Opcode是指EVM Opcode。StarkWare中使用Warp来将Solidity合约转换为Cairo合约，或者直接使用Cairo来编写合约。
上图中，从左到右，与Geth等的兼容性越强，但开发速度也越慢。