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Scroll 研究:zkEVM 的設計挑戰和解決方案_CRO:BankRoll

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zk-Rollup 是一種非常便宜且安全的以太坊二層擴展解決方案。然而,現有的 zk-Rollup 只限于特定應用程序使用,這使得開發人員在 zk-Rollup 中構建通用的可組合 DApp 和遷移現有應用程序變得困難。我們通過引入 zkEVM 生成 zk 證明用于 EVM 驗證來構建完全兼容 EVM 的 zk-Rollup,任何以太坊應用程序都可以輕松遷移到該 zk-Rollup。

本文介紹 zkEVM 的設計挑戰以及可行性,并提出了從零開始構建 zkEVM 的詳細方案。

zk-Rollup是公認的以太坊最佳擴容解決方案。不僅具有以太坊 Layer 1 的安全性,并且與所有其他 Layer 2 解決方案相比,交易速度最快。

從中長期來看,隨著 ZK-SNARK 技術的改進,ZK rollups 將在所有用例中勝出。— Vitalik Buterin

zk-Rollup 的基本理念是將大量交易聚合到一個 Rollup 塊中,并為鏈下的塊生成簡潔的證明。然后 Layer 1 上的智能合約只需要驗證zk-Rollup的證明并直接更新狀態,無需重新執行那些交易。證明驗證狀態比重新執行計算的 gas 費用便宜很多,另外數據壓縮(即只保留最少的鏈上數據進行驗證)利于降低 gas 費用,這樣的交易流程節省一個數量級的 gas 費用。

盡管 zk-Rollup 安全高效,但很難構建通用 DApp,其應用仍僅限于支付和互換(swap),主要是以下兩個原因:

首先,在 zk-Rollup 中開發 DApp 需要使用特殊的編程語言(即 R1CS )來編寫智能合約的邏輯。該編程語言的語法復雜,而且要求開發者精通零知識證明。

其次,當前的 zk-Rollup 不支持可組合性。這意味著多個的 zk-Rollup 應用程序不能在 Layer 2 內相互交互,極大地降低了 DeFi 應用程序的可組合性。

簡而言之,目前 zk-Rollup 對開發人員不友好并且功能有限。 我們希望解決這些問題,通過直接支持原生 EVM 驗證,為開發人員提供快速開發體驗,支持 Layer 2 內應用程序的可組合性,以便現有的以太坊應用程序可以輕松遷移到 zk-Rollup 上。

Scroll聯創:測試網超400萬個唯一錢包地址,每天處理逾50萬筆交易:金色財經報道,Scroll聯合創始人YeZhang和Sandy Peng在Anna Rose的Zero Knowledge Podcast節目中分享了Scroll最近一年的項目進展和生態發展,以及Scroll團隊建設、如今的Layer2格局、Scroll硬件加速方面的成果和未來的技術路線圖。

YeZhang表示,Scroll的首要任務是盡快啟動主網,團隊已經將電路發送給審計公司,下一步將是實現去中心化證明者,最后是設計去中心化排序器。Sandy表示,目前Scroll測試網有超過400萬個唯一錢包地址,每天處理超過50萬筆交易,100多個項目向官方提交了信息。[2023/5/15 15:02:53]

在 zk-Rollup 中有兩種構建通用 DApp 的方法。

為不同的 DApp 構建專用電路(“ASIC”)

為智能合約執行構建一個通用的“EVM”編碼

“ 電路(circuit)”是指零知識證明中使用的程序表示方法。例如,如果要證明 hash(x) = y,則需要使用 ASIC 電路重新編寫散列函數。電路只支持非常有限的計算表達式(例如 R1CS 只支持加法(add)和乘法(mul))。因此,開發人員使用電路語言編寫程序的過程非常困難,必須使用 add 和 mul 構建所有程序邏輯(包括 if else、循環等)。

第一種方法要求開發人員為不同的 DApp 設計專門的“ASIC”電路,這需要使用零知識證明最原始的方式。通過設計定制電路減少每個 DApp 的成本。然而,由于電路是“靜態的”,不能為應用提供可組合性,并且需要專業的電路設計知識,因此開發體驗很糟糕。

第二種方法不需要任何特殊的設計或電路專業知識。這種基于機器證明的高級思想讓任何程序可以在 CPU 上運行,因此開發者只需要構建一個通用的 CPU 電路來驗證底層步驟。然后使用這個 CPU 電路來驗證程序的執行。在此場景中,程序指的是智能合約,CPU 則是 EVM。但是,由于成本過高,過去幾年并沒有普遍采用這種方法。例如,即使開發者只想增加一個驗證步驟,就需要承擔整個 EVM 電路的成本。如果執行跟蹤中有數千個步驟,那么 EVM 電路成本將是 1000 倍。

以太坊擴容項目Scroll升級并重置測試網五天內,單一地址數達27萬:1月16日消息,以太坊擴容項目Scroll聯創發推表示,自1月9日Scroll升級并重置其Pre-Alpha測試網以來,單一地址數于五天內達到27萬個,每日處理交易數達11萬筆。[2023/1/16 11:14:14]

最近,有很多研究在按照這兩種方法優化 zk 證明,包括:

(i)提議新的零知識證明友好型語言 Poseidon hash ,其在電路中的效率是 SHA256 的 100 倍

(ii)通用可驗證虛擬機,如TinyRAM

(iii)) 越來越多的通用優化技巧,如 Plookup,以及運行速度更快的密碼學庫。

我們之前建議為每個 DApp 設計“ASIC”電路,通過驗證密碼進行通信。但是,根據社區的反饋,我們改變了優先級,將重點關注在第二種方法,優先構建通用 EVM 電路(所謂的“zkEVM”)。zkEVM 將支持與 Layer 1 完全相同的開發體驗。我們不會將底層設計的復雜性留給開發人員,而是通過定制的 EVM 電路設計來解決效率問題。

zkEVM 很難構建,與 TinyRAM 不同,zkEVM 的設計和實現更具挑戰性,原因如下:

首先,EVM 對橢圓曲線的支持有限。目前,EVM 僅支持 BN254 配對,不直接支持循環橢圓曲線,因此很難進行遞歸證明。其他專用協議在此限制下也很難使用,除非是 EVM 兼容的驗證算法。

其次,EVM 字長為 256 位。EVM 在 256 位整數上運行(大多數常規 VM 在 32-64 位整數上運行),而 zk 證明在素數字段上工作。在電路內部進行“不匹配場算術”需要范圍證明,這將在每個 EVM 步驟中增加大概 100 個約束,導致 EVM 電路尺寸擴大兩個數量級。

第三,EVM 有很多特殊的操作碼。EVM 與傳統 VM 不同的是有許多特殊的操作碼,例如CALL,還有執行上下文和 gas 相關的錯誤類型。這將給電路設計帶來新的挑戰。

第四,EVM 是基于堆棧的虛擬機。SyncVM ( zksync ) 和 Cario (starkware) 架構在基于寄存器的模型,并定義了特定的 IR/AIR。需要專門的編譯器將智能合約代碼編譯成新的 zk 友好的 IR。這種方法是語言兼容而不是原生 EVM 兼容,基于堆棧的模型和直接支持原生工具鏈更難實現。

Layer2解決方案Scroll宣布上線pre-alpha測試網:7月19日消息,基于zkEVM的Layer2解決方案Scroll宣布為外部測試人員發布pre-alpha測試網,快速獲得社區反饋,早期測試者現可在官方網站申請注冊以獲取訪問權限。[2022/7/19 2:23:07]

第五,以太坊存儲布局的成本太大。以太坊存儲布局高度依賴 Keccak 和 MPT ,它們都不是 zk 友好類型,并且會產生高昂的成本。例如,Keccak 哈希的電路大小是 Poseidon hash 的 1000 倍。但是,如果將 Keccak 替換為另一個哈希,則會對現有的以太坊基礎設施造成一些兼容性問題。

第六,基于機器的證明有高昂的成本。即使能夠妥善處理上述所有問題,仍然需要找到一種有效的方法將它們組合在一起以獲得完整的 EVM 電路。正如我在上一節中提到的,簡單的操作碼add可能會導致整個 EVM 電路的成本。

感謝研究人員在這方面取得的巨大進步,近兩年來解決的效率問題越來越多,證明了 zkEVM 的可行性!主要的技術進步來自以下幾個方面:

多項式承諾(polynomial commitment)的使用。在過去的幾年里,大多數零知識證明協議都在使用 R1CS,PCP 查詢被編碼到了特定于應用的受信任起步設置(trusted setup)中。。這種情況通常會使電路會超出負載,并且無法進行自定義優化,因為每個約束的程度需要為 2(雙線性配對(bilinear pairing)僅允許指數中的一次乘法)。開發者使用多項式承諾方案可以通過通用設置(universal setup)或者透明設置(transparent setup)將約束提升到任何程度,大幅提高后端的選擇的靈活性。

數據表查詢參數和自定義小工具。優化數據表查詢參數首先由 Arya 中提出,然后在 Plookup 中進行優化。這可以為 zk 不友好的編程語句(例如 AND、XOR 等)省略很多按位運算。定制小工具可以讓開發者高效地進行高度約束。 TurboPlonk 和 UltraPlonk 定義了優雅的語法,以便開發者更輕松地使用查詢數據表和自定義小工具。這對于減少 EVM 電路的成本非常有幫助。

兩筆共10億枚XRP從Ripple Escrow錢包解鎖 價值約4.78億美元:Whale Alert數據顯示,北京時間2月1日08:00,兩筆共10億枚XRP從Ripple Escrow錢包解鎖,價值約4.78億美元,交易哈希為:705DE0D850A104CE87FD06A834235A8D0F57FD0FA156601786B0F787E1BA1825。[2021/2/1 18:34:13]

遞歸證明的可行性越來越高。在過去遞歸證明依賴于特殊的循環橢圓曲線(即基于 MNT 曲線的構造),需要大量的成本。目前更多的技術在不犧牲效率的前提下改變這種依賴情況。例如,Halo可以配對友好橢圓曲線,并使用特殊的內積參數來分攤遞歸成本。Aztec 表明可以直接對現有協議進行聚合證明(查詢數據表可以減少非本地字段操作的成本,從而降低驗證電路的成本)。這種方法可以極大地提高電路負載量的可擴展性。

硬件加速更加高效。我們制造了 GPU 和 ASIC/FPGA 加速器,并且關于 ASIC 證明者的論文已經被最大的計算機會議(ISCA)接受。GPU 證明器比Filecoin 的實現快大約 5 到 10 倍。這將大幅提高證明器的計算效率。

除了強大的直覺和技術改進之外,我們還需要更清楚地知道我們需要證明什么,并制定出更具體的架構。我們將在后續文章中介紹更多技術細節和比較。在這里,我們描述了總體工作流程和一些關鍵思想。

開發人員和用戶的工作流程

開發人員可以使用任何與 EVM 兼容的語言來運行智能合約,并將編譯后的字節碼部署在 Scroll 上。然后,用戶可以發送交易與智能合約進行交互。用戶和開發者的體驗將與 Layer 1 完全相同。但是,gas 費用顯著降低,并且在 Scroll 上的交易訂單即時預先確認(提款只需幾分鐘即可完成)。

zkEVM 的工作流程

即使 Layer 1 和 Layer 2 表面上的工作流程沒有太多差別,但二者的底層處理過程完全不同:Layer 1 依賴于智能合約的重新執行;Layer 2 依賴于 zkEVM 電路的有效性證明。

Synthetix:持幣者需將托管SNX遷移至新托管合約Reward Escrow V2:據官方消息,合成資產發行平臺Synthetix發推提醒稱,根據SIP-60提案和剛升級的Castor版本,擁有托管SNX的SNX持幣者需要遷移到新的合約中,即將所有托管SNX和托管條目從當前RewardEscrow合約遷移到新的Reward Escrow V2合約,才能要求擔保獎勵或授予任何托管SNX。[2021/1/15 16:14:40]

讓我們更詳細地解釋 Layer 1 和 Layer 2 交易的情況有何不同。

在 Layer 1 ,智能合約的字節碼存儲在以太坊存儲中,交易將在 P2P 網絡中廣播。對于每個事務,每個全節點都需要加載相應的字節碼并在 EVM 上執行以達到相同的狀態(事務將作為輸入數據)。

Layer 2 的智能合約字節碼也以相同的方式進行操作,但后續步驟是交易將在鏈下發送到一個集中的 zkEVM 節點。然后,zkEVM 執行字節碼并生成一個簡潔的證明,以證明在應用交易后狀態已正確更新。最后,Layer 1 合約將驗證證明并更新狀態,而無需重新執行交易。

讓我們深入了解一下執行過程,看看 zkEVM 最終需要證明什么。在原生執行中,EVM 首先加載字節碼,然后從頭開始逐個執行字節碼中的操作碼,對每個操作碼執行以下三個子步驟:

(i)從堆棧、內存或存儲中讀取元素

(ii)對這些元素執行一些計算

(iii)將結果寫回堆棧、內存或存儲。例如,add操作碼需要從堆棧中讀取兩個元素,將它們相加并將結果寫回堆棧。

所以 zkEVM 的證明需要包含與執行過程相對應的以下幾個方面:

字節碼從存儲中正確加載 (以便虛擬機正確地運行從給定地址加載的操作碼)

字節碼中的操作碼逐個執行 (字節碼按順序執行,不會丟失或跳過任何操作碼)

每個操作碼都正確執行 (每個操作碼中的三個子步驟都正確執行讀寫和計算)

zkEVM 設計亮點

在設計 zkEVM 的架構時,我們需要處理/解決上述三個問題。

第一,為密碼驗證器設計一個電路。這部分就像一個“可驗證的存儲”,我們通過使用密碼驗證器這種技術手段來保證驗證結果的正確性。 以默克爾樹為例,部署的字節碼將作為葉節點存儲在 Merkle 樹中。然后驗證者可以使用簡潔的證明來驗證從給定地址加載的字節碼(即驗證電路中的默克爾路徑)。對于以太坊存儲,則需要電路兼容 Merkle Patricia Trie 和 Keccak 哈希函數。

第二,設計一個電路來將字節碼與真實的執行產生關聯。將字節碼轉移到靜態電路中會帶來一個問題:像 jump 這樣的條件式操作碼(與智能合約中的 loop、if else 語句相對應)可能會跳轉到任何地方。在某個人使用特定輸入運行該字節碼之前,跳轉目的地都是不確定的。這就是為什么我們需要驗證實際的執行蹤跡。執行蹤跡可以被認為是 “展開的字節碼”,包含按實際執行順序排列的操作碼(即,如果你跳轉到另一個位置,蹤跡中將包含該目標操作碼和位置)。

證明者將直接提供執行蹤跡作為電路的見證數據。我們需要證明該執行追蹤是通過特定字節碼使用特定的輸入 “展開” 的工作,目的是強制讓程序計數器的值保持一致。針對目的地不確定的問題,解決思路是讓證明者提供一切數據。然后通過查找參數高效地檢查一致性(即,證明帶有準確全局計數器的操作碼包含在 “總線” 中)。

第三,為每個操作碼設計電路(證明每個操作碼中的讀寫和計算都是正確的)。這是最重要的部分,證明執行跟蹤中的每個操作碼都是正確且一致的。如果將所有東西直接放在一起,將會帶來高昂的成本。這里的優化方案是:

1)我們將讀寫和計算分成兩個證明。一個證明會將所有操作碼用到的元素都放到 “總線” 中,另一個證明會證明對 “總線” 上元素的計算是正確執行的。這會大幅降低每個部分的成本(生成計算證明時無需考慮整個 EVM 存儲)。前者被稱為 “狀態證明”,后者被稱為 “EVM 證明”。另一個發現是,查找聲明可以有效處理 “總線映射” 。

2)我們可以為每個操作碼設計度數更高的定制化約束(即,我們可以將一個 EVM word 切分成多個數據塊,以便更高效地處理)。我們可以選擇是否根據需求通過一個選擇符多項式來 “打開” 一個約束。這樣可以避免每個操作都要消耗整個 EVM 電路的成本。

這個架構最初由以太坊基金會提出,依然處于早期階段,正在積極開發中。我們正在與以太坊基金會進行密切合作,旨在找到最佳方式實現該 EVM 電路。迄今為止,我們已經定義了 EVM 電路最重要的特點,并(使用 Halo2 庫中的 UltraPlonk 語法)實現了一些操作碼。更詳細的內容將在后續文章中介紹。我們推薦感興趣的讀者閱讀這篇文檔。開發流程將是透明化的。這將是集整個社區之力的完全開源的設計。希望會有更多人加入進來,貢獻出一份力量。

zkEVM 還能帶來什么?

zkEVM 遠不僅僅是 Layer 2 擴容。我們可以將它理解為通過 Layer 1 有效性證明擴展以太坊 Layer 1 的直接方式。這意味著不需要任何特殊的 Layer 2 就可以擴展現有的 Layer 1。

例如開發者可以將 zkEVM 當作全節點來使用,該證明可以用來直接證明現有狀態之間的轉換。所有 Layer 1 交易無需將任何東西遷移到 Layer 2 上,你可以直接證明!更寬泛地來說,你可以使用 zkEVM 為整個以太坊生成簡潔證明,就像 Mina 那樣。唯一需要增加的東西是證明遞歸(將區塊的驗證電路嵌入 zkEVM)。

結論

zkEVM 可以為開發者和用戶提供相同的體驗。在不犧牲安全性的情況下,它的價格要便宜幾個數量級。已經提出了以模塊化方式構建它的架構。它利用最近在零知識證明方面的突破來減少成本(包括自定義約束、查找參數、證明遞歸和硬件加速)。我們期待看到更多的人加入 zkEVM 社區,與我們一起集思廣益!

備注:

:?Starkware 于 2021 年 9 月 1 日的公告中聲明已實現可組合性。

: 電路是固定且靜態的。例如,在將一個程序實現為電路時,你無法使用可變上限循環。上限必須固定為最大值。電路無法處理動態邏輯。

: 為便于讀者理解,我們在這里詳細說明 EVM 電路的成本。正如前文所言,電路是固定且靜態的。因此,EVM 電路需要包含所有可能的邏輯(這個體量是僅包含 add 的電路的 10000 倍)。這就意味著,即使你只想證明 add,你依然需要負擔該 EVM 電路中可能包含的所有邏輯的成本。也就是說,成本被放大了 10000 倍。在執行追蹤中,你需要證明一連串操作碼,而且每個操作碼都會帶來高昂的成本。

: EVM 本身并沒有與默克爾-帕特里夏樹(MPT)緊密綁定。目前,MPT 僅用于存儲以太坊狀態。要換一個很容易(有人提議使用 Verkle 樹替換掉 MPT)。

: 這是經過高度簡化的抽象概念。從技術上來說,“EVM 狀態” 的名單更長,包括程序計數器、gas 余量、調用棧(以上所有加上堆棧中每次調用的地址和靜態)、一組日志和交易范圍變量(熱存儲槽、退款、自毀)。我們可以另外引入針對不同調用環境的標識符來直接支持可組合性。: 由于存儲量很大,我們使用累加器進行存儲。內存和堆棧可以使用可編輯的 Plookup(我們可以通過這種方式有效地實現 “RAM”)。

: 將一個完整的遞歸證明添加進 zkEVM 電路并非易事。實現遞歸的最好方式還是使用循環橢圓曲線(即,Pasta 曲線)。我們需要引入某種 “包裝(wrapping)” 過程讓遞歸在以太坊 Layer 1 上可驗證。

編譯:餅干,鏈捕手

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