CAIRO:詳述有效性證明Rollup和Cairo VM技術特性_caifubi

來源：Scaling Ethereum Efficiently；編譯：Starknet 中文社區

概要

有效性證明 Rollup 以安全和去中心化的方式增加以太坊吞吐量，也是最具潛力的方式；zkEVM 和 Cairo VM（CVM）是有效性證明 Rollup 中所使用到的兩種虛擬機 (VM) 類型。

zkEVM 專注于以太坊兼容性，但犧牲了性能和可擴展性。

Starknet 采用的 Cairo VM 將性能和可擴展性置于兼容性之上。

Rollup 是今年關于擴展以太坊的熱門話題。在各種類型 Rollup 中，我們相信有效性證明 Rollup（以下簡稱 VR，或稱為 zk-rollup），是以安全和去中心化的方式增加以太坊吞吐量，最有希望的擴容方案。這種擴容方案的核心是采用有效性證明進行可驗證計算。下面來了解其運行原理：

和在以太坊主網上處理每筆交易不同，運營者將交易放到鏈下環境執行。鏈下環境就是 L2，即在以太坊之上運行的操作層。

在大批量交易處理完成后，L2 運營者將結果返回至以太坊狀態中，同時還有一個有效性證明用于驗證鏈下執行的完整性。該證明保證同一批次中的所有交易都有效，并由鏈上驗證合約自主驗證。該操作允許以太坊將結果應用于其狀態。

Hive Blockchain Technologies將于7月12日更名為Hive Digital Technologies:金色財經報道，在周四的新聞稿中表示，作為“重大戰略擴張”的一部分，Hive Blockchain Technologies將于7月12日更名為Hive Digital Technologies，以反映其對支持AI發展的關注。即將進行的品牌重塑反映了Hive對Nvidia圖形處理單元(GPU)芯片的使用，該公司稱其是人工智能、機器學習和高級數據分析領域的重要工具。[2023/7/7 22:22:24]

有效性證明 Rollup

請注意：有效性證明 Rollup 常被錯稱為零知識證明 Rollup (zkRollup)，這并不準確。大部分有效性證明 Rollup 不采用零知識證明，也不用于確保隱私。因此，術語「有效性證明 Rollup」更準確。

在繼續深入前，我們需要回答第一個問題：什么是虛擬機（VM）？簡而言之，虛擬機是一個可以運行程序的環境，比如 Mac 上運行 Windows 操作系統。VM 在對某些輸入執行計算后，在狀態之間進行轉換。以太坊虛擬機（EVM）就是運行以太坊智能合約的 VM。

財政部副部長廖岷：在未來國內要建設數字金融的基礎設施，包括數字貨幣以及算力:3月31日消息，中央財經委員會辦公室副主任、財政部副部長廖岷在博鰲亞洲論壇2023年年會“數字時代的金融基礎設施與金融服務”圓桌會上表示，金融行業有海量的數據，我們要運用好數據、進行數據管理、數據治理，釋放金融數據的潛力。他表示，金融體系的數字化或者金融的數字化是一個生態系統，它要有適應性、有韌性。

廖岷稱，在未來，國內一方面要建設數字金融的基礎設施，包括數字支付、數字貨幣以及算力，同時還要考慮到軟件方面，比如建設軟實力，以確保我們的方向是正確的。[2023/3/31 13:37:44]

零知識虛擬機（zkVM）是程序執行環境，與程序輸出一起生成可輕松驗證的有效性證明。有效性證明用于證明程序已正確執行。當使用「zkEVM」一詞時，通常是指運行以太坊虛擬機（EVM）并能夠證明 EVM 執行的 Rollup。這個術語可能會造成誤會，因為 EVM 本身無法生成這些證明；相反，證明是由一個單獨的證明器機制產生，該機制將 EVM 的執行結果作為其起點。此外，上述證明都是與有效性相關，而與隱私無關。因此，準確來說不能稱為零知識證明。而為了保持一致性，在本文中仍使用傳統術語「zkEVM」。

盡管所有有效性證明 Rollup 都旨在采用有效性證明來擴展以太坊，而不同方案在 VM 執行鏈下交易方面做出了不同選擇。許多有效性證明 Rollup 選擇復制 EVM 設計（因此稱為「zkEVM rollup」），嘗試在 L2 rollup 上復制以太坊。Starknet 采用的是 Cairo VM（CVM），是專為優化有效性證明效率而設計的全新 VM。

區塊鏈時尚透明度平臺tex.tracer完成150萬歐元種子輪融資:金色財經報道，區塊鏈時尚透明度平臺tex.tracer宣布完成150萬歐元種子輪融資，ROM InWest、HearstLab、Joanna Invests、以及一批天使投資人參投。tex.tracer使用區塊鏈技術、時間和地理位置標記、以及點對點審核功能從主要來源收集可靠的驗證數據。[2023/3/7 12:47:22]

上述兩種方式各有利弊和取舍，但 zkEVM 犧牲性能以求以太坊兼容性，而 Cairo VM 將性能置于兼容性之上，優先考慮可擴展能力。

zkEVM 是一種有效性證明 Rollup，旨在 L2 區塊鏈上完全引入以太坊體驗。目的是將以太坊開發者環境復制到 Rollup 中。借助 zkEVM，開發者編寫或移植智能合約到擴容方案時，無需調整代碼或棄用原本的 EVM 工具（以及智能合約）。

這種方式有一個關鍵缺陷，即降低了有效性證明的擴展能力。由于重心放在與以太坊兼容，導致 zkEVM 速度更慢且資源密集度更高。與 CVM 不同，EVM 在設計時沒有考慮證明效率。因此限制了在提高效率和可擴展性的優化使用，最終影響系統的整體性能。

zkEVM 方式的核心挑戰在于 EVM 根深蒂固的原始藍圖，起初的設計并不是為了在有效性證明環境中運行。因此，努力都放在實現以太坊功能上，就無法釋放有效性證明的全部潛力，導致效率不盡人意。這種低效率最終拖了系統整體性能的后腿。EVM 與有效性證明的兼容性受到以下因素的阻礙：

BIS：FTX、Terra崩潰對新興經濟體的零售加密投資者打擊最嚴重:金色財經報道，國際清算銀行在周一發布的一份報告中表示，雖然全球大多數加密應用程序用戶在去年Terra生態系統和FTX交易所崩潰后因持有比特幣而蒙受損失，但主要經濟體以外的投資者受到的打擊最大。報告稱，在2022年5月Terra倒閉后，超過4500億美元從加密貨幣市場消失，而在11月FTX破產后又損失了2000億美元。到2022年12月，中位投資者將損失431美元，相當于他們自下載該應用程序以來投資的900美元資金總額的近一半。值得注意的是，這一比例在巴西、印度、巴基斯坦、泰國和土耳其等幾個新興市場經濟體中甚至更高，如果投資者繼續以每月的頻率進行投資，超過五分之四的用戶將會虧損。[2023/2/21 12:18:17]

EVM 采用基于堆棧的模型，而有效性證明更高效地用于基于寄存器的模型。EVM 基于堆棧的性質使其本質上更難證明其執行的正確性，并為其本地工具鏈提供直接支持。

以太坊存儲布局重度依賴于 Keccak 和大型 Merkle Patricia 樹，這兩者都是非有效性證明友好型，帶來巨大證明負擔。例如，Keccak 對于 x86 架構非常快速（通常用于運行 EVM），但需要 9 萬個步驟來證明（需要特殊內置）。而 Pedersen（零知識友好型哈希函數）只需要 32 個步驟。即使采用遞歸壓縮，zkEVM 中使用 Keccak 消耗證明器資源仍舊很高，成本最終還是得由用戶承擔。

雅達利推出Web3生態計劃Atari X，并將發行新Token:5月25日消息，知名游戲公司在其社交網站宣布推出 Web3 生態計劃 Atari X，并引入新的合作伙伴 NiftyLabs。公告表示，該計劃將推動一個雅達利的 Web3 區塊鏈生態系統，該生態系統將游戲、公用事業和社區交織在一起。

此外，雅達利還將基于該生態系統發行新 Token，并定義新品牌 Token 的效用、治理和 Token 經濟學。NiftyLabs 將主要負責該 Token 項目開發。[2022/5/25 3:39:37]

因此，各類 zkEVM 旨在為以太坊工具提供不同程度的支持，但 zkEVM 與以太坊兼容性越高，性能也就越低。（有關更多 zkEVM 類型的信息，請參閱文章結尾處）

zkEVM 解決方案在「讓 EVM 適用于有效性證明 Rollup」方面投入了大量開發時間，將兼容性置于長遠性能和可擴展性之上。還有另一個選項：采用全新的專用虛擬機，并新增一個額外層用于支持以太坊工具。這就是 Starknet 采取的措施，Starknet 于 2021 年 11 月推出了一個無需許可的有效性證明 Rollup。Starknet 是首個在完全可組合性網絡中，實現通用智能合約平臺的有效性證明 Rollup。

Starknet 采用 Cairo-VM（CVM），并創造同名高級語言 Cairo。Cairo-VM 是為高效生成程序執行的有效性證明而設計。

通過 Cairo（VM 和編程語言）可實現：

優化有效性證明，每條指令都有一個有效代數表達式

用于編寫可證明程序的現代類 Rust 語言

高級 Cairo 語言和 Cairo 匯編（VM 指令）之間的中間表達式（Sierra），可以高效執行 Cairo 代碼

開發一種全新語言可以根據特定需求定制，可以包含以前所不具備的功能，滿足新需要。

為了創建某些計算的有效性證明，首先必須將該計算表達為描述計算的一系列數學約束。這個過程非常復雜，難點在于優化計算以提高效率，而且需要特定工具。

Cairo 語言設計之初就是為了簡化這一任務，以便 StarkEx 能輕松增添功能和復雜的商業邏輯。將 Cairo 程序編譯成代數機器代碼，即一串數字，由單個固定的 VM 執行。有了 Cairo，生成描述計算的數學約束這個復雜過程（對于有效性證明來說非常棘手）得以抽象化，進而以一組固定的約束條件（總共不到50個約束）來表示。這樣，開發者無需理解底層數學和基礎設施，僅需用熟悉的語法編寫代碼，就能利用有效性證明擴展應用程序。

Starknet 致力于創新，這點在代碼多元化處理方法上展現得淋漓盡致。Cairo 采用 STARK 技術實現最佳擴展功能，不僅限于使用 Cairo 本地環境編寫合約。開發者還可以選擇最適合的方式：

在 Cairo 本地編碼：Cairo 1.0 受 Rust 啟發，更加符合開發者使用習慣且更加安全，編寫程序邏輯變得更加容易且不易出錯。

Solidity 兼容性：Solidity 開發者可以編寫支持 Cairo VM 的代碼。這種方式提供了與以太坊相似的開發者體驗，并支持 Solidity 智能合約遷移至 Starknet。遷移實現方式有兩種：

轉譯：轉譯是將一種編程語言的源代碼轉換成另一種語言的過程。Nethermind 團隊構建了 Warp 轉譯器，用于將 Solidity 代碼轉譯為 Cairo。Warp 讓 Solidity 智能合約可移植至 Starknet，使其有效成為第四類 zkEVM。目前已用于轉譯和部署 Uniswap 合約，只需極小的改動即可實現。

Starknet 上的 zkEVM：Cairo VM 能用于證明另一個 VM 的執行。Kakarot 是采用 Cairo 編寫的 zkEVM，可用于在 Starknet 上運行以太坊智能合約。Cairo VM 和 zkEVM 并不是競爭關系，與其在兩者之間做出選擇，不如采用兩者兼得的方式！

盡管 Cairo 問世時間不長，但根據 TVL 排名，Cairo 是第四受歡迎的智能合約編程語言，估值超 3.5 億美元。

zkEVM 旨在將以太坊開發者環境復制到 Rollup 中，并允許開發者使用熟悉的以太坊工具。但這種方式限制了有效性證明的潛力，且資源密集。

專為有效性證明設計的 Cairo VM 不受到 EVM 的限制。Cairo VM 支持 Cairo 1.0。Cairo 1.0 受 Rust 語言啟發，更加符合開發者使用習慣且更加安全，形成強大的工具，旨在利用 STARK 證明高效擴展以太坊。

看到 Cairo 每周都在發展，Kakarot zkEVM 和 Warp 這種開發者選擇越來越多，令人興奮。隨著 Starknet dApp 投入生產，展現出 Cairo 的強大力量，我們堅信未來 Cairo 會催生出前所未見的優秀項目。

上文概述了 SATRK 擴展的三種路徑，毫無疑問未來幾個月還會有更多創新誕生。開發者現在對擴展區塊鏈有了前所未有的掌控權。

Vitalik 將 zkEVM 主要分為四個類型：

第一類完全等效以太坊：不改變以太坊生態系統的任何部分。

第二類完全等效 EVM：能和現有 dApp 兼容，并對以太坊的設計做出部分調整以加快證明生成。

第三類大致等效 EVM：支持大部分 EVM 操作碼，移除部分 zkEVM 難以實現的功能（如預編譯和哈希函數）。

第四類等效高級語言：用 Solidity/Vyper 編寫智能合約代碼，并將其轉譯成有效性證明友好型語言。

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