以太坊:為什么說“小表模式”zkEVM 更為高效？_LOOK

作者：FoxTechCEO康水躍，FoxTechCTO林彥熹

前言：以太坊虛擬機是建立在以太坊區塊鏈上的代碼運行環境，合約代碼可對外完全隔離并在EVM內部運行，其主要作用是處理以太坊系統內的智能合約。之所以說以太坊是圖靈完備，是因為開發者可以使用Solidity語言創建運行于EVM上的應用程序，一切可計算的問題都能計算。但僅是圖靈完備還不夠，人們還試圖將EVM封裝在ZK證明系統里，但問題是封裝時會產生大量冗余。Fox所發明的“小表模式”zkEVM，在保證原生的Solidity以太坊開發者能無縫遷0移至zkEVM的同時，還將大幅削減封裝EVM到ZK證明系統時產生的冗余成本。

EVM自2015年問世以來正在經歷一場史詩級的ZK改造。這場大改造主要有兩個方向。

第一個方向就是所謂的zkVM賽道，該賽道項目致力于將Application的性能提升到最優，而與以太坊虛擬機的兼容性并不是首要考慮的問題。這里有兩個子方向，其一是做自己的DSL(DomainSpecificLanguage)，比如StarkWare正致力于推廣Cairo語言，推廣難度并不小。其二是目標兼容現有的比較成熟的語言，比如RISCZero致力于讓zkVM兼容C++/Rust。該賽道的難點在于因為引入了指令集ISA,導致最終輸出的約束更復雜。

Kava 14測試網已上線，主網將于7月12日發布:6月28日消息，Kava Network在推特上宣布，Kava 14測試網已上線，Kava 14主網將于7月12日發布。根據此前消息，新版本將成為連接Cosmos至以太坊dApp的內部跨鏈橋，屆時原生Cosmos資產將解鎖至KAVA EVM。[2023/6/28 22:05:48]

第二個方向就是所謂的zkEVM賽道，該賽道項目致力于EVMBytecode的兼容，即Bytecode級別及其以上的EVM代碼都通過ZkEVM產生對應的零知識證明，這樣以來原生的Solidity以太坊開發者會可以無成本遷移至zkEVM。該賽道選手主要有PolygonzkEVM、Scroll、Taiko和Fox。該賽道的難點在于兼容EVM這樣一個并不適合封裝在ZK證明系統時產生的冗余成本。Fox經歷長時間的思考與論證，終于找到了從根本上消減第一代zkEVM巨大冗余的那把鑰匙：“小表模式”zkEVM。

消息人士：Amber Group正在以30億美元的估值籌集超1億美元新資金:金色財經報道，匿名消息人士稱，數字資產交易平臺Amber Group正在以30億美元的估值籌集1億多美元的新資金。該公司在2月份的估值為30億美元，融資2億美元，由財富基金淡馬錫領投，紅杉中國、Pantera Capital、Tiger Global Management、True Arrow Partners和Coinbase Ventures參投。

報道稱，Amber原本試圖以50億至80億美元的更高估值再次籌集資金，但鑒于加密市場普遍低迷，這些資金未能兌現。知情人士透露，新的融資正在分多個部分完成，1億美元中的大約一半已經到位，該公司計劃在今年年底或2023年初之前再完成一到兩次額外的融資交易。（彭博社）[2022/11/5 12:19:10]

數據和證明電路是zkEVM生成證明的兩大核心要素。一方面，在zkEVM中，證明者需要所有交易涉及的數據以證明交易帶來的狀態轉移是正確的，而EVM中的數據量大且結構復雜。因此，如何整理和組織證明所需的數據便是構建一個高效的zkEVM需要仔細考慮的問題。另一方面，怎么通過一系列的電路約束高效地證明計算執行的有效性與正確性，則是保證zkEVM安全性的基礎。

馬斯克收購推特的130億美元債務將由銀行持有:10月22日消息，據華爾街日報，知情人士透露，承諾幫助埃隆-馬斯克收購推特(TWTR.N)的銀行計劃持有支持該交易的全部130億美元債務，而不是將其銀團化。馬斯克收購推特的交易得到了摩根士丹利、美國銀行和巴克萊等銀行的支持。據悉這些銀行決定將這些債務計入資產負債表，以避免虧本出售給債券和貸款基金經理。此前報道稱，隨著市場動蕩加劇，如果銀行試圖以目前市價出售推特的債務，可能會面臨約5億美元或更多的損失。假設收購完成，銀行希望能夠在明年初、市場條件改善時出售推特的部分債務，據悉銀行正在討論如何將債務分割成不同部分。[2022/10/22 16:35:02]

我們首先談第二個問題，因為這是所有設計zkEVM的團隊都需要考慮的問題，這個問題的本質其實就是“我們到底要證明什么？”而目前大家對這個問題的思路都是相似的，由于一個交易可能是多種多樣的，直接按順序證明每一步的操作帶來的狀態改變都是正確的顯得不現實，因此我們需要分類證明。

數據：以太坊總量的11.3%已參與信標鏈質押:9月15日消息，BeaconScan數據顯示，當前信標鏈質押以太坊總量達到1362萬枚，占以太坊1.2億枚總供應量的11.3%。[2022/9/15 6:57:54]

圖1:大表、小表兩代zkEVM解決方案

例如，我們將每次stack中元素的變化都放在一塊，專門編寫一個stack電路證明，為單純的算術操作專門編寫一套的算術電路等等。如此一來，每個電路需要考慮的情況就變得相對簡單。這些不同功能的電路在不同zkEVM中有不同的名字，有人直接稱其為電路，也有人稱其為狀態機，但是這個思想的本質都是一樣的。

為了更清楚的解釋這么做的意義，我們舉一個例子，假設現在要證明加法操作：

假設原先的stack是

則如果不分類拆分的話，我們需要設法證明進行完上述操作后stack變為

數據：OFAC制裁后Tornado Cash轉出ETH價值已超4000萬美元:8月10日消息，據Dune Analytics數據顯示，自8月8日美國財政部海外資產控制辦公室（OFAC）針對Tornado Cash的禁令公布后，已有價值42,950,895美元的ETH從Tornado Cash轉出，目前這些ETH被轉入到了614個獨立接收者和69個獨立ENS地址。[2022/8/10 12:15:16]

而如果進行了分類拆分的話我們只需要分別證明以下幾件事：

stack電路：

C1：證明pop出2和4后變為

C2：證明push(6)后變為

算術電路：

C3：a=2,b=4,c=6，證明a+b=c

值得注意的是，證明的復雜程度和電路需要考慮的各種情況的數量有關系，如果不分類拆分的話，電路需要覆蓋的可能性將會非常巨大。

圖2:第一代zkEVM采用的大表模式

而一旦分類拆分了，每一個部分的情況將會變得相對單純，從而證明的難度也會顯著減小。

但是分類拆分也會帶來其他問題，那便是不同類別電路的數據一致性問題，例如在上面的例子里，我們實際上還需要證明以下兩件事：

C4：”C1中pop出來的數”=“C3中的a和b”

C5：“C2中push的數”=“C3中的c”

為了解決這個問題，我們回到了第一個問題，即我們要如何組織交易涉及的數據，下面我們接著探討這個議題：

一個直觀的方法是這樣的：通過trace，我們可以拆解出所有交易涉及的每個步驟，知道其涉及的數據，并通過向節點發送請求以獲得不在trace中的那部分數據，隨后，我們將其如下排列成一個大表格T：

“第一步操作”“第一步操作涉及的數據”

“第二步操作”“第二步操作涉及的數據”

…“第n步操作”“第n步操作涉及的數據”

如此一來，在上面的例子中，我們就會有一行記錄著

“第k步：加法”“a=2,b=4,c=6”

而上面的C4便可以被如下證明：

C4(a)：C1pop出的數和大表T中的第k步一致

C4(a)：C3的a和b和大表T中的第k步一致

C5也是類似的。這個操作被稱為lookup。lookup的具體算法我們不在本文中詳細介紹，但是可以想象，lookup操作的復雜度與大表T的大小密切相關。因此，現在我們回到第一個問題：如何組織證明會用到的數據呢？

圖3:Fox所發明的“小表模式”zkEVM

我們考慮如下一系列的表格構造：

表格Ta：

“類型a的第一個操作”“類型a的第一個操作涉及的數據”

“類型a的第二個操作”“類型a的第二個操作涉及的數據”

…“類型a的第m個操作”“類型a的第m個操作涉及的數據”

表格Tb：

“類型b的第一個操作”“類型b的第一個操作涉及的數據”

“類型b的第二個操作”“類型b的第二個操作涉及的數據”

…“類型b的第m個操作”“類型b的第n個操作涉及的數據”

…如此構造多個小表，這么做的好處是當我們可以根據需要的數據所涉及的操作的類型，直接在對應的小表中進行lookup，如此一來，便能很大程度的提高效率。

一個簡單的例子是如果我們要證明a~h這8個字母都存在中，我們需要對大小為8的表進行8次的lookup，但是如果我們把表分為和的話，我們只需要對這兩個大小為4的表分別進行4次lookup就可以了！

在FOX這個layer2的zkEVM中便使用了這種小表的設計以提升效率，為了保證在各種情況下都能完備的證明，對于具體的小表拆分方式需要仔細的設計，而提升效率的關鍵則在于對表的內容的分類與其大小的平衡。盡管將完整的zkEVM在這個框架中實現需要龐大的工作量，我們預期這樣的zkEVM將會在性能方面有突破性的進步。

結論：Fox所發明的“小表模式”zkEVM，在保證原生的Solidity以太坊開發者能無成本遷移至zkEVM的同時，大幅削減封裝EVM到ZK證明系統時產生的冗余成本。這是zkEVM結構的一次重大變革，將對以太坊擴容方案產生深遠影響。

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