從技術原理解讀：zk-Sync 2.0和zk-Rollups的未來

Web3.com Ventures ｜2022-11-04 11:34

"zk-Rollups "近期市場熱度攀升，相關專業術語隨處可見，但"zk-Rollups "到底指的是什麼？ zk-Sync的作用在哪？在本文，我將努力深入探討zk-Rollups的工作原理和實際用例，並闡述zk-Sync v2.0的關鍵技術特徵，探索這項被期待已久的技術，進一步地分析它對未來影響。

原文：《 zk-Sync v2.0 and the Future of zk-Rollups 》

作者：@0xfishylosopher，Web3.com Ventures

翻譯：SHL，PANews

簡介

"zk-Rollups "可能是今年最熱門的Web3流行用語。近期，隨著zk-Sync的v2.0 "baby alpha "的主網上線，這種熱度已經達到峰值^[1] 。但在所有流行語的背後，"zk-Rollups "到底指的是什麼？ zk-Sync的作用在哪？在本文，我將努力深入探討zk-Rollups的工作原理和實際用例，並闡述zk-Sync v2.0的關鍵技術特徵，探索這項被期待已久的技術，進一步地分析它對未來影響。

zk-Rollups的工作原理

為什麼我們特別需要zk-Rollups？雖然以太坊很有用，但目前以太坊網絡，從根本上看是一種無法規模化的經濟。因為隨著以太網絡活動的增加，GAS價格會變的非常昂貴，尤其是在以太網絡處理量突發激增的時候，這種效應就愈發明顯。隨著以太網絡的不斷發展，以太網絡有限的可拓展性已成為它進一步發展的致命弱點。

"Rollups "的出現就是為了解決以太坊網絡的拓展性問題。以太坊Rollups本質上是一種"插件"，為以太坊提供指數級別的可擴展性，從而修復它高G as的現狀。這個想法背後的邏輯很簡單。想像一下，你需要從A點到B點攜帶5件物品。 "常規"的方式是攜帶物品1、物品2等，一個接一個地攜帶。但這顯然效率緩慢且繁瑣，"Rollups "本質上是將5件物品“打包”到一個袋子中，因此你可以一次就把它們都攜帶完成，而不是分開5次來攜帶。

在這個過程中，有兩點是需要注意的：

1. 如何確保"Rollups "能夠"容納"所有的東西？

2. 如何確保"Rollups "不被欺騙？

zk-Rollups是利用"零知識證明"來解決這兩個問題的領先rollup技術類型之一（另一種是Optimistic Rollups）。為了解決這些問題，Zk-Rollups會將一定數量的交易捆綁在一起，在Layer2上進行計算，並將狀態變更，且將"有效性證明"提交給Layer1上的驗證者，以表明計算是完整完成的。這個"有效性證明"是以"零知識證明"的形式出現的，這是一種告訴他人你知道什麼而不告訴他人你怎麼知道的數學方法。

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簡化的ZK-Rollup 架構

Source：https://immutablex.medium.com/ground-up-guide-zkevm-evm-compatibility-rollups-787b6e88108e

零知識證明的一個簡單例子是一個代碼自動生成器（用於CS作業）。自動生成器是一個"驗證者"，給你一堆隨機生成的測試代碼，而你是一個"證明者"，必須能夠通過所有的測試代碼來證明你有正確的代碼。同時，你不會直接與自動交易器分享你的代碼。你看，你剛剛就進行了一次"零知識證明"，你證明了你知道的東西，但你沒有說你是怎麼知道的。 ^[2]

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零知識證明案例，Source：Gradescope

上面的代碼自動生成器是使用"交互式零知識證明"的方式，自動生成器和代碼提供者直接"交互"。相比之下，大多數zk-Rollups使用的是數學上更複雜的非交互式證明（如zk-SNARK，即零知識簡潔的非交互式知識證明）。與交互式證明相比，非交互式證明既節省時間又節省空間。雖然zk-SNARKs的技術細節超出了本文的範圍，但測試代碼通過的基本原理是相通的。

zk-Rollups的聖杯在於零知識以太坊虛擬機( zk-EVM )，它允許開發人員在不修改以太坊智能合約的情況下對DApps進行轉移。但這是存在一定難度的，因為每個"問題"都需要不同的"測試代碼"，所以開發一個"證明算法"來解決所有可以想像的測試代碼的“證明算法”，是零知識證明和zk -Rollups的技術瓶頸。

正如V italik所說的：總的來說，我認為在短期內optimistic rollup可能會在通用的EVM計算中勝出，而ZK R ollup可能會在簡單的支付、交易和其他特定應用案例中勝出。但從中長期來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZK R ollup將在所有案例中勝出。 ^[3]

因此，從歷史上看，zk-Rollups 僅是針對特定應用用例的技術，其中“測試用例”定義明確且範圍有限。但是一些項目正在迅速向“山上的城堡”推進，一種通用的EVM 兼容zk-Rollup 算法。 ^[4]

zk-Sync 2.0

zk-Sync 2.0是目前在開發zk-EVM的眾多項目之一（其他項目包括StarkNet、Polygon Hermez和Scroll）。 zk-Sync 1.0要求用戶重新構建其代碼庫的大部分內容，以便從EVM遷移到zk-Sync。與zk-Sync v1.0不同，在zk-Sync 2.0中，程序員可以在幾乎沒有變化的情況下部署其應用程序。

實際上，並非所有的zk-EVM都是等效的。它們在可組合性（與原始EVM合約的接近程度）和高性能（zk-Rollups的運行速度）之間存在著明顯的權衡^[6] 。在這種權衡中，zk-Sync選擇了高性能，從而犧牲了可組合性。

在V italik看來，目前主要有四種不同類型的zk-EVM，這四種類型如下圖所示：

從技術原理解讀：zk-Sync 2.0和zk-Rollups的未來

zk-EVMs的類型，改編自： https://vitalik.ca/general/2022/08/04/zkevm.html

正如V italik所述，在目前的狀態下，zk-Sync 2.0是第4類zk-EVM。與EVM不同，zk-Sync 2.0能夠使用自己的編譯器編譯，可以使用Solidity和高級語言編寫智能合約。由於zk-Sync可以完全控制其編譯器的設計，因此他們能夠積極優化速度和吞吐量。但這樣做的代價是，一些DApps和EVM調試工具鏈可能與zk-Sync 2.0不兼容。從本質上看，zk-Sync與Ethereum有相同的“汽車外殼”，但換了一個引擎^[5] 。

事實上，在zk-Sync開發者文檔中，Matter Labs聲稱，雖然智能合約"讀取"操作可以在不改變代碼的情況下集成，但智能合約的"寫入"操作需要"附加代碼"，因為"Layer1和Layer2之間存在根本差異" ^[6] 。實際上，這略有誤導。與其說是由於Layer1和Layer2之間的"根本差異"，不如說是由於Matter Labs所追求的第4種Rollups。因為zk-Sync本質上是使用不同的編譯器和字節碼，基於第4種的Rollups意味著智能合約有不同的地址，但依賴於字節碼分析的調試器基礎設施可能無法在zk-Sync 2.0上運行^[7] 。

在未來，zk-Sync可能會加入更多對EVM字節碼的本地支持，允許系統慢慢過渡到支持更廣泛的"邊緣情況"，也就是指第3類的Rollups 。但是，對於zk-Sync的第3類和第4類的zk-Rollup來說，與Polygon Hermez和Scroll Labs的第2類的Rollups（基本上是以速度換取更廣泛的兼容性）相比，必須有兩個重要的前提條件才能成功。首先，只有一小部分不重要的項目與zk-Sync的自定義編譯器不兼容。其次，與第2類zk-EVM相比，zk-Sync的執行速度需要有質的區別。

不幸的是，我個人認為這種情況不太可能發生。任何先進的開發生態系統都依賴於成熟"框架"的基礎設施，包括便捷性、模塊化、調試和測試工具。如果像Vitalik假設的那樣，由於字節碼的不同，大部分EVM原生調試工具將無法移植到zk-Sync，那麼zk-Sync將不得不開發自己的測試和調試工具套件。與Polygon Hermez 和Scroll 等可組合性更強的第2類zk-EVM 相比，這是會增加額外的開銷，最終可能會影響zk-Sync 作為Layer2 解決方案的採納進度。