什么是零知识rollups？

零知识rollups（zkRUs）是一种用于提升以太坊处理能力的二层解决方案。它通过将多笔交易合并至一个区块中，从而提高交易的处理速度。不同于将所有交易数据都上传至区块链，zkRUs利用零知识证明（ZKPs）在链下验证交易的正确性，只将更新后的状态数据和相应的证明提交至以太坊区块链。这种方法显著减少了区块链上需要存储的数据量，同时增强了系统的扩展性和隐私保护。

zkRUs的早期问题

早期的zkRUs实现功能受限，主要只能处理简单的代币交换和支付，不能执行复杂的计算或运行智能合约。这主要是因为开发者需要使用专门的电路语言来编写应用，这在实际操作中是不现实的。

解决方案：通用虚拟机

为了解决这一问题，提出了开发一种通用虚拟机（VM）的方案。这种虚拟机不仅可以执行智能合约，还能生成并验证相应的零知识证明。尽管如此，由于电路设计复杂且需要特定的硬件支持来高效计算证明，这一方案曾一度被认为难以实现。但最近，多项技术的进步，如多项式承诺方案、优化的查找表、新型递归证明及硬件加速技术的发展，使得通用虚拟机的开发成为可能。

深入以太坊虚拟机

以太坊虚拟机（EVM）使开发者能够使用Solidity语言来创建智能合约。EVM负责处理智能合约代码执行后的状态变化。由于EVM不能直接执行Solidity代码，因此首先需要将Solidity代码编译成包含EVM操作码的合约字节码。目前，EVM能够执行约150种不同的操作码。

zkRU的通用虚拟机需要构建一个能够执行智能合约、生成每步骤的零知识证明，并通过验证器合约来核实这些证明的通用虚拟机是一项复杂的任务。每个步骤都存在诸多挑战，这也导致了各种zkVM实现之间的差异。

解决方案1：创建专为零知识证明计算设计的新语言

以太坊虚拟机（EVM）最初并非设计用来支持零知识证明（ZKP）。它采用了特定的操作码（如 CALL）、错误类型和gas计算方式，并且依赖于一些如 Keccak 这样的特殊哈希函数和 Merkle Patricia Trie 这样的数据结构，这些设计带来了巨大的存储开销。2022年8月，Vitalik Buterin 提出了 zkEVM 的分类和所谓的“zkEVM 困境”：与以太坊的兼容性越高，生成证明的时间就越长，相应地性能也会下降。

为此，一种潜在的解决方案是开发一种新的编程语言，这种语言将专门为零知识证明的计算而设计。这种新语言将针对性地解决 EVM 在本地支持 ZKP 方面的不足，可能包括为 ZKP 计算效率而优化的特定操作码和数据结构，这样可以减少存储开销和缩短证明时间。此外，它还可能避免使用特殊的哈希函数和错误类型，从而进一步提高性能和与以太坊的兼容性。

例如，StarkWare 的 Cairo zkVM 和 zkSync 的 zinc zkVM 等四型 zkEVM 的实现，就引入了一种优化了的新语言，专门支持有效性证明和自定义操作码。它们通过使用自定义转译器，将 Solidity 代码转换为如 Cairo 或 Yul 这样的本地高级语言。尽管这种方式可能更易于构建和优化，但它不支持现有的以太坊开发工具，并可能在某些功能上有所不足。此外，这还增加了开发者和审计员的学习负担，他们需要掌握 Cairo 或 Yul 等新技术，这无疑提高了入门门槛。随着 EVM 持续演进，团队还需不断地对他们的 zkEVM 进行重构或更新，这也给系统的长期维护带来了挑战。

解决方案2：为原生EVM操作码构建ZK电路

另一种方法是直接为EVM的原生操作码构建ZK电路。然而，这种方式的难点在于，zkVM需要证明整个以太坊状态转换功能，包括那些超出基本EVM操作码的功能。

Type 3 zkEVM

当前，Polygon 和 Scroll 的 zkEVM 尚未能完全达到与以太坊虚拟机（EVM）的功能对等，主要是因为它们还未实现一些复杂的预编译合约。这些合约在 EVM 中具有固定的地址和预定的运算成本，提供更高级的功能。

Type 2 zkEVM

Consensys、Polygon 和 Scroll 正在努力实现与以太坊虚拟机（EVM）完全等效，即可以不修改原生字节码就按照 EVM 规范执行程序，并完整支持所有操作码和预编译功能。这使得开发者能够继续使用他们现有的代码，并利用现有的以太坊工具链如 Geth、Remix、Hardhat 和 Foundry。然而，这些平台在管理第二层（L2）状态的方法上各有不同。比如，Consensys 的 zkEVM 就不使用 keccak256 哈希函数，因为它不利于进行零知识证明。

Polygon 的 zkEVM 采用了一种特殊的 Merkle 树结构，每个节点只存储一个属性（如余额、随机数、代码哈希或存储根），并使用名为 Poseidon 的不同哈希函数。此外，Polygon 还改变了内存的使用方式，使用 256 位而非传统的 8 位，这改变了内存查询的逻辑。Polygon 还引入了一个零知识汇编编译器（zkASM），用以解析交易。这些变化可能会影响那些依赖于区块哈希的智能合约的兼容性。

Type 1 zkEVM

Taiko 的 zkEVM 与以太坊在架构上完全相同，无论是哈希函数、状态树还是计算成本，都未做任何修改。这种一致性使得智能合约可以在不需修改的情况下，从 Taiko 迁移到以太坊。这也意味着现有的以太坊执行客户端可以直接作为 Taiko 的节点使用。

Taiko 使用的 zkEVM 由 Privacy & Scaling Explorations 开发，它包括两部分的 zkSNARK：一部分负责验证状态读写操作的正确性，另一部分负责验证计算和执行的正确性。不过，这种方法的一个主要问题是所需证明的大小极大，计算这些证明需要非常强大的 GPU 和专用的 ASIC/FPGA 硬件，这可能会限制能够执行这些操作的实体数量，从而影响系统的去中心化。

为什么会有这么多 zkEVM？

不同团队在实现与 EVM 兼容性的过程中采取了不同的策略，每种实现都有其独特之处，这促进了不同验证方案的试验。这种多样性不仅增强了第二层的安全性，还增加了其鲁棒性。Vitalik 提出了多证明者 zkEVM 卷积的概念，即使单个错误发生，也不会影响整个系统的完整性，而是增加了系统的冗余和恢复力。