来源：IOBC Capital

作者：0x1

以太坊的发展路线越来越倾向于 Modular Blockchain，其本质就是 Layer1 的 data sharding 和 Layer2的 Rollups 扩容相结合，成为一种模块化架构，从而推动以太坊实现 “世界计算机” 的初衷。其中 Rollups 的技术路径选择方面，ZK Rollup 被认为是以太坊扩容的最终目标。

(资料图片仅供参考)

ZK Rollup

ZK Rollup 的核心工作机制是将链上的用户状态压缩存储在一棵 Merkle 树中，并将用户状态的变更转移到链下进行，同时通过 zksnark/zkstark 证明来保证该链下用户状态变更过程的正确性。通俗地理解，ZKRollup 可以理解为通过 zksnark 或 zkstark 来使用亚线性处理以验证线性数量的语句。比如，1000 条语句需要 10 次验证者检查，10000 条语句需要 11 次验证者检查。所以，呈现出来的结果是，ZK rollup 可以实现以太坊扩容。

ZK Rollup 的大致区块链事务处理过程如下：

用户将他们的资产锁定在 L1 上的 zk rollup 智能合约中；

用户将涉及这些资产的交易提交给 L2，L2 中的某些角色（Sequencer，早期多数项目是中心化的，也有项目开始采用去中心化方式）将这些交易通过某些规则收集成有序批次，并为每个批次生成有效性证明（zksnark/zkstark）和聚合状态更新；

这个状态更新和证明被提交到 L1 的 zk rollup 智能合约并被验证，就会更新在 L1 的区块链上；

用户可以使用这种 L1 状态（取决于不同的数据可用性机制）来检索他们的资产，从而实现完全的自我托管，所以 zk rollup 也被认为继承了以太坊安全。

zkEVM 的必要性

众所周知，第一代的 ZK Rollups 是不支持 EVM 的，可编程性和可组合性较差，只能限定在一些特定的场景，比如：Loopring 只能限定在 Payments&Swaps 等场景；Immutable 只能限定在 NFT Minting&Trading&Games 等场景；zksync1.0 其实也不支持 zkEVM。不具有通用性。

后来，头部的那些 ZK Rollups 开始探索，在 ZK Rollup 上研发支持 EVM 字节码的代码执行环境，从而使得以太坊上的智能合约可以从以太坊迁移到 ZK Rollup 上，而无需从头开始编写代码。EVM 是第一个图灵完备的区块链虚拟机，于 2015 年发布。它是迄今为止最久经考验的区块链虚拟机，也是以太坊非常重要的智能合约基础设施。甚至在谈到其他区块链时，也会将 EVM 兼容与否作为一个评判维度，因为 EVM 兼容的背后代表的不仅仅是智能合约执行环境，也代表着可用的以太坊生态和工具集，更代表着不可忽视的网络效应。

所以，ZK Rollups 也没敢忽略这一块儿。zkEVM 则可以理解为将 EVM 作为智能合约引擎运行在 ZK Rollup 中。zkEVM 的目标是在不失去 Rollup 性能优势的基础上，将以太坊体验完全带入到 L2。截至目前，zkSync2.0、Polygon Hermez2.0、Scroll 等头部的通用 ZK Rollup 项目都已经先后推出了 zkEVM 测试网，StarkNet 则已经进入到了 Alpha Mainnet 阶段。

zkEVM 的兼容性分类

当前的 ZK Rollups 的 zkEVM 与 Ethereum 本身并非完全兼容，更遑论 “以太坊等效” 的终极愿景。所以，不仅以太坊本身的升级规划在迁就 Rollup 友好型，各个 ZK Rollup 项目也一直在解决与以太坊的兼容性问题。

Vitalik 根据与现有 EVM 基础设施的兼容性程度，将 zkEVM 通用 ZK Rollup 分为 4 类：

Type-1：完全等效于以太坊

Type-1 型 zkEVM 力求完全且毫不妥协地与以太坊等效。无需改变以太坊系统的任何部分，无需取代哈希、状态树、事务树、预编译或任何其他共识逻辑。简而言之，Type-1 型的 zkEVM 完全等效于 Ethereum。

Type-1 型 zkEVM 能够像以太坊一样验证以太坊区块，或者至少验证执行层端（包括所有交易执行、智能合约和账户逻辑，不包括信标链共识逻辑）。

Type-1 型 zkEVM是以太坊最终需要的，也是 Rollups 的最理想选择。一方面，Type-1 型 zkEVM 可以让 Rollups 重用大量的基础设施（例如：Ethereum Execution Clients、Block Explorers、Block Production 等）；另一方面，Type-1 型 zkEVM 能使得以太坊 Layer1 本身更具可扩展性，因为在 Type-1 型 zkEVM 上探索的一些对以太坊的修改，也许未来会被引入到 Ethereum 本身。

当然，Type-1 型 zkEVM 也有缺陷。以太坊最初并非围绕 ZK 友好型设计的，因此以太坊协议的许多部分需要大量计算才能进行 ZK 证明。Type-1 型与以太坊一样，无法缓解在这个事情上的低效（在生成证明方面，需要较长时间）。针对这个问题，目前行业里提出的解决方案主要是：通过巧妙的工程大规模并行化证明，或通过 ZK-SNARKASIC 来实现硬件加速。

目前，主要有两个团队在尝试探索 Type-1 ZK-EVM，一个是Privacy and Scaling Explorations team，一个是Taiko。

Type-2: 完全等效于 EVM

Type-2 型 zkEVM 力求完全等效于 EVM，但不完全等效于以太坊。它们与现有的应用程序也完全兼容，但需要对以太坊进行一些小的修改，以使开发更容易并更快地生成证明。

Type-2 型 zkEVM 对区块结构和状态树之类的数据结构有一些修改。由于这些是 EVM 本身无法直接访问的结构，所以在以太坊上运行的应用程序几乎可以直接在 Type-2 型 zkEVM Rollup 上运行。虽然无法按原样直接使用以太坊执行客户端，但通过一些修改仍可以使用它们，并且还可以使用 EVM 调试工具和大多数其他开发工具。

通过删除部分不必要的和 ZK 不友好的以太坊堆栈，Type-2 zkEVM 的证明时间比 Type-1 zkEVM 更快些。这些修改虽然显著提高了证明者的效率，但并没有根本性解决证明时间慢的问题。总而言之，Type-2 的证明时间还是很慢。

Type-3: 几乎等效于 EVM

Type-3 型 zkEVM 几乎与 EVM 等效，在兼容性方面也有所牺牲，但其 EVM 更易于开发。

Type-3 型 zkEVM 通过删除一些在 zkEVM 中很难实现的功能（比如：预编译），以及在处理合约代码、内存或堆栈方面的调整，总体在等效性方面做出了一些牺牲，实现了更多的验证器时间、并使 EVM 更易于开发。

在兼容性方面有所牺牲，由于有一些应用程序使用了被 Type-3 型 zkEVM 删除的预编译，这些应用程序需要对其中的部分进行重写。

目前，Scroll和Polygon都属于 Type-3。当然，从长远来看，还没有哪个 zkEVM 团队公开表明愿意长期停留在 Type-3。Scroll 和 Polygon Hermez 都在朝着 Type-2 型 zkEVM 的方向发展，虽然还有许多复杂的预编译还没有实现。

Type-4: 高级语言等效

Type-4 类实际上属于 zkVM。Type-4 系统通过获取以高级语言（Solidity、Vyper）编写的智能合约源代码，并将其编译为明确设计为 ZK-SNARK 友好的某种语言来工作。

优劣势都很明显。有非常快的验证时间，因为 Type-4 类不对每个 EVM 执行步骤的所有不同部分进行 ZK 证明，而是从更高级别的代码开始，从而降低成本并获得更快验证时间。兼容性较差，合约在 Type-4 系统中的地址与它们在 EVM 中的地址不同；手写的 EVM bytecode 更难使用；很多调试的基础设施不能被继承，因为这些基础设施是运行在 EVM 字节码上。

总而言之，Type-4 属于语言级别等效，与字节码级别等效相比在兼容性方面有较大差距。根据 Vitalik 的观点，目前主要有Zksync属于 Type-4 类，尽管随着时间的推移它可能会增加对 EVM 字节码的兼容性；基于 Nethermind 的 warp 项目正在构建从 Solidity 到 Starkware 的 Cairo 编译器也会把StarkNet变成 Type-4 型。

各类 zkEVM 的比较

这些 zkEVM 并没有绝对的优劣之分。它们只是在兼容性与速度之间有所取舍，Type-1 型 zkEVM 与以太坊的兼容性最高，但证明速度较慢；Type-4 型 zkEVM 与以太坊的兼容性较差，但验证速度更快。而且我们会发现，现有的 ZK Rollup 的明星项目，包括 Zksync、StarkNet、Polygon、Scroll 等都属于 Type-4/Type-3 这样的与以太坊兼容性没有那么高的 zkVM/zkEVM 类型。

Vitalik 是希望随着时间的推移，通过 zkEVM 的改进和以太坊本身的改进相结合，最终所有 zkEVM 都成为 Type-1 类。这样的好处在于，未来会有多个 zkEVM，既可以用于 ZK Rollup，也可以用于验证以太坊链本身（未来以太坊会对 ZK-SNARK 更加友好）。

Vitaliki 提出的观点，一般来说很容易达成整个行业的共识，我也非常认可。Type-1 型 zkEVM 的项目在 Ethereum 生态自然是最受欢迎的、也比较匹配 Ethereum L1。但 Type-4 类 zkVM 也未尝不是执行层项目的一个好的技术方案选择。主要有两点考虑：

放在 Modular Blockchain 的叙事下，zkVM 更方便对接其他 L1。如果跳出只是做以太坊生态 L2 的思维，没有在字节码级别兼容以太坊虚拟机，而是选择采用 zkVM，也许反而方便未来对接到其他的 L1 共识层；

现在 ZK Rollup 的性能顶板是受限于证明生成速度，Type-4 类 zkVM 有优势。执行层的生成证明的速度还是非常重要的，L2 把执行层的性能做到极致，也未尝不是一个好的思路。虽然说未来能够通过 ASIC 硬件加速来提高生成证明的效率，但效果犹未可知，Type-4 类 zkVM 的证明生成速度较快是个挺重要的优势。

当然，zkEVM 的兼容性和速度实际上并不是开发者考量基于哪个 ZK Rollup 去做应用的唯一指标。还有许多其他的因素会影响他们的选择，比如：

费用：以哪些代币支付费用，L2 费用的降低程度也是一个非常重要的考量因素，但由于多数通用 ZK Rollup 项目还处于测试网阶段，尚无法做对比；

生成证明的规则：支持哪些人作为 Prover，甚至采用哪种硬件来加速生成证明；

L2 交易排序的规则：采用单个 Sequencer 还是采用去中心化的方式；

自托管：是否有明确的机制来确保 L2 发生事故的时候仍然能够在 L1 恢复用户资产；

数据可用性：完整的数据可用性成本自然要高些，是否可接受有些 ZK Rollup 采用的较低成本的数据可用性模式。

总而言之，每种 ZK Rollup的 zkEVM 是在诸多性能中有所取舍，实际并没有绝对的优劣之分。