从 zkEVM 到 zkVM 的演进如何提升区块链可扩展性

自十多年前比特币诞生以来，区块链技术已经取得了长足的进步。虽然最初的区块链网络在其去中心化方法上具有开创性，但它们面临重大挑战，特别是在可扩展性方面。随着区块链应用和使用案例的不断扩展，解决可扩展性问题已成为首要任务。

在这一领域的一个有前景的进步是从 zkEVM（零知识以太坊虚拟机）到 zkVM（零知识虚拟机）的过渡，这有望极大地提高区块链的可扩展性。在本文中，我们将深入探讨 zkEVM 的世界，探索其局限性，并了解向 zkVM 的演变将如何带来区块链可扩展性的实质性改进。

零知识证明的兴起

零知识证明在保护互联网用户隐私方面发挥着关键作用，尤其是在我们努力在区块链上实现广泛采用的过程中。它们还承诺解决计算挑战。目前，实现这一目标有两个主要途径：zkEVM 和 zkVM。在本次探索中，我们将深入研究这两种方法，权衡它们的优缺点。然而，在深入分析之前，必须理解我们要优化的目标以及为什么隐私如此重要。

在密码学演进的领域中，正如生物界的进化一样，特性的发展旨在优化特定结果。例如，比特币将安全性置于首位，认识到去中心化数字货币必须在获得广泛接受和普及之前具备无可争议的安全性。以太坊遵循了类似的路径，在强调安全性的同时引入了一个额外的层面：智能合约带来的可编程性。

这些密码学演进中的迭代往往相互依托，每一代都带来其独特的权衡。以以太坊为例，每个节点都需要重新执行每一笔交易，这带来了巨大的计算挑战，导致高昂的 Gas 费用和缓慢的交易速度。选择在区块链上直接执行计算是为了增强安全性和透明度，但代价是牺牲了性能和隐私。

Rollups（卷积）作为一种解决方案应运而生，旨在通过减轻以太坊相关的计算负担来提升可扩展性。虽然它们开始解决性能问题，但并未解决隐私问题。这一点至关重要，因为隐私已成为旨在扩大用户群的应用程序的前提条件。用户越来越要求对其数据拥有更多控制权，并对寻求 unrestricted（无限制）访问其信息的实体持谨慎态度。

应用开发者已经认识到这一日益增长的隐私趋势及其必要性。因此，他们一直在积极探索利用零知识证明（ZKPs）来保护隐私的方法。这些密码学协议使用户或应用程序能够在不泄露任何其他信息的情况下验证声明的真实性。例如，ZKPs 可以确认用户年满 18 岁，而无需披露其确切年龄或出生日期。

正如 a16z 在 2023 年《加密现状》报告中指出的那样，开发者对 ZK-proof 技术的采用预计将进一步增加。这一趋势由学术出版物的激增以及以太坊网络上涉及验证 ZK 证明的日常交易数量的上升所驱动。ZKPs 背后的势头证明了其在区块链领域寻求平衡隐私、安全性和可扩展性方面日益增长的重要性。

理解 zkVM

首先需要定义的一个方面是：什么是虚拟机（VM）？简而言之，VM 是一种能够执行其他程序的软件程序，通常作为一个迭代循环运行，执行一组指定的指令——这些指令代表“其他程序”。

以太坊虚拟机（EVM） specifically 是负责执行以太坊智能合约的 VM。最初支持指令及其各自行为的汇编于 2014 年在 Gavin Wood 撰写的开创性黄皮书中概述——该书不仅因其重要性而闻名，还因其独特的黄色封面而著称。该论文保持持续更新的状态，旨在反映当前支持指令的集合。

另一方面，零知识虚拟机（zk VM）本质上是在零知识证明（zkp）系统中以电路形式实现的 VM。这使其与主要侧重于证明程序执行的传统 zkp 系统区分开来。在 zkVM 中，重点转向验证虚拟机本身的执行。因此，有些人划清了界限，将非 VM 的 zkp 归类为 FPGA（现场可编程门阵列）方法的一部分，而将 zkVM 视为 CPU（中央处理器）方法的组成部分。

在 zkp 系统中，程序或电路是不可变的实体，就像从特定程序编译而成的二进制文件一样。因此，zkVM 电路实际上体现了循环的预定迭代次数，这可以比作展开循环。本质上，zkVM 是一个旨在执行虚拟机的电路。实际程序的指令可以作为公共输入引入该电路，从而实现对被验证程序的完全透明。（如果希望探索其他替代方案，存在多种将程序指令传达给 VM 的方法。）

多个zkVM项目相继涌现，其中至少有三个值得关注的举措：

1. Cairo：由Starknet使用，该项目因其严谨的论文而备受瞩目，该论文被誉为艺术之作。实验性实现“turshi”也包含在Kimchi框架中。
2. Miden：Polygon生态系统中的一个进行中的项目，Miden目前正处于开发阶段。
3. Risczero：另一个正在进行中的项目，Risczero旨在支持RISC-V指令集，这是一个在区块链领域之外广泛认可的标准。

这些项目中的每一个都支持不同的指令集，因此它们彼此之间不兼容。

zkVM的类型

zk VM领域可以分为两种截然不同的类型：

1. zk优化VM：著名的例子包括Cairo和Miden。这些VM经过精心设计，优先考虑效率，因此速度显著更快。它们的主要目标是促进与零知识证明（zkp）系统的无缝集成，简化验证过程。
2. 现实世界VM：此类包括支持RISC-V指令集的RiscZero以及针对以太坊虚拟机（EVM）定制的各类zkEVM。现实世界VM旨在提供与零知识证明领域之外既有的指令集和生态系统的兼容性。

支持EVM的动机可归因于几个令人信服的原因。首先，对于以太坊本身，它使得创建涵盖整个状态转换的证明成为可能——从创世状态到最新的以太坊状态。Mina等项目展示了这种能力。

其次，对于非以太坊项目，采用EVM兼容性提供了无缝整合以太坊生态系统项目和应用程序（如Uniswap）的优势。这不仅促进了互操作性，还为吸引以太坊社区的开发人员加入新项目提供了机会。

zkVM的机制

ZkVM源于我们之前在TxVM方面的工作，并受到比特币和以太坊设计的影响，引入了一种新颖的交易格式。在ZkVM中，交易被表示为直接操作作为一等公民的资产流的程序，通过交易日志更新区块链状态。将交易日志应用与验证分离，实现了高度可扩展的设计，同时为自定义合约提供了强大的环境。

为了增强区块链可扩展性并实现机密价值转移，ZkVM采用UTXO（未花费的交易输出）模型来表示余额。所有余额都表示为未花费输出（UTXO）的集合，这些UTXO可以在交易中创建、销毁和操作。这些UTXO使用Utreexo方案高效地存储为Merkle根，显著降低了存储需求，并促进了完全验证节点的广泛部署。

在ZkVM中，每个输出都是存储在区块链状态中的合约，包含多个受谓词保护的项目——必须满足的条件才能解锁这些项目。ZkVM利用基于Taproot的设计，允许通过加密签名或执行验证自定义条件的嵌入式子程序来解锁合约。

ZkVM中的合约是更高级协议（如账户、订单簿和支付通道）的多功能构建块。这种灵活性使得Stellar等平台能够将协议设计选择从共识关键层移开，促进各种去中心化应用程序的实验。

关于机密性，ZkVM使用谓词中的Taproot方案取得了平衡。如果所有各方合作，则无需揭示合约逻辑，但如果他们不合作，安全性仍然完好。即使必须披露合约逻辑，由于零知识验证约束系统，余额和合约参数等数据仍然保持机密。

ZkVM利用Bulletproofs零知识证明系统，默认将值和数据加密为Pedersen承诺。用户可以指定关于秘密值的算术和逻辑表达式，这些表达式会自动转换为Bulletproofs约束系统。交易紧凑且高效，小型交易的大小范围为1到1.5 KB，聚合支付的边际成本仅为每输入-输出对200字节。验证高度并行化，每个输出仅需约1毫秒。这种效率使ZkVM能够在不损害数据加密的情况下优先考虑安全性，确保数据仅根据需要在知悉基础上向授权方披露。此外，Bulletproofs框架消除了对可信设置的需求，使得能够在ZkVM之上创建新协议，而无需为每个功能进行全网升级。

从zkEVM过渡到zkVM的必要性

zkEVM的局限性

虽然zkEVM引入了重大改进，但它仍有一些限制阻碍了其可扩展性潜力：

1. 兼容性有限：zkEVM主要为以太坊网络设计。这意味着其他区块链平台无法轻易采用该技术，限制了其对区块链生态系统的更广泛影响。
2. 复杂性：实施zkEVM需要对零知识证明和密码学有深入的理解。这种复杂性使得开发人员难以将zkEVM纳入他们的项目，进一步限制了其采用。
3. 存储和数据挑战：zkEVM没有有效地解决区块链上的数据存储问题。大型数据存储需求仍然是可扩展性的瓶颈。

向zkVM的过渡：可扩展性的突破

认识到zkEVM的局限性，区块链社区踏上了一段开发更通用和可扩展解决方案的旅程，从而诞生了zkVM，即零知识虚拟机。

zkVM建立在zkEVM的基础原则之上，同时解决了其缺点。让我们探讨zkVM如何准备彻底改变区块链可扩展性：

1. 跨平台兼容性：与zkEVM不同，zkVM设计为区块链无关。这意味着它可以集成到各种区块链网络中，不仅限于以太坊。这种更广泛的兼容性为zkVM对整个区块链生态系统产生更重大影响打开了大门。
2. 改善用户体验：zkVM旨在简化开发人员的实施过程。通过提供用户友好的工具和界面，zkVM使开发人员更容易利用零知识证明的力量，降低了入门门槛。
3. 增强的数据管理：zkVM更有效地解决了数据存储问题。它引入了数据压缩和存储的创新技术，减少了区块链上的存储需求。这种优化通过减小区块链数据的大小对可扩展性产生直接的积极影响。
4. 更快的交易处理：借助zkVM的链下计算能力，区块链网络上的计算负载进一步降低。这导致交易处理时间更快，费用更低，整体性能提高。

我们优化的是什么？

洛克希德·马丁公司着手执行创建F-35的雄心勃勃的任务，将其设想为一种多功能战斗机，能够取代专用的空对空和空对地战斗机。然而，这一努力遇到了重大挫折，比预定时间表晚了十年，并在行业专家中获得了有史以来最不成功战斗机之一的声誉。

从这一经验中得出的关键教训是，当系统是为特定目的而设计时，它通常在履行该特定角色方面优于试图同时优化多个目标解决方案。

与区块链领域进行类比，以太坊最初被构想为一个完全公开和透明的平台。如果一个人试图在这样的区块链中引入隐私功能，它不太可能达到从 inception 开始就将隐私作为核心原则设计的系统的相同性能水平。这带来了工程挑战，因为开发人员必须适应原本不打算在此上下文中运行的程序，从而导致复杂且笨拙的电路。

然而，替代方法涉及开发专门用于隐私的应用程序层。这种方法允许优化与隐私相关的功能，同时享受零知识证明提供的优势，我们将在下一节深入探讨这一主题。

zkVM和zkEVM的实际应用

zkEVM和zkVM都在各个领域找到应用，有望重塑行业和区块链用例：

• DeFi 革命：去中心化金融（DeFi）平台可以利用 zkVM 和 zkEVM 来提高交易速度、降低费用并保护敏感的金融数据。
• 供应链转型：借助 zkVM 和 zkEVM，供应链的透明度和可追溯性得到改善，从而减少欺诈并提高效率。
• 医疗数据安全：zkEVM 和 zkVM 可以确保医疗数据的隐私和安全，实现授权方之间的安全信息共享。
• 游戏和 NFT：游戏行业和不可替代代币（NFT）市场可以从 zkVM 和 zkEVM 提供的更快交易和secure 数据处理中受益。

zkVM和区块链可扩展性的未来

随着zkVM在区块链领域获得关注，它有可能解决长期限制区块链采用和增长的可扩展性问题。然而，像任何新兴技术一样，仍有挑战需要克服，并有一些注意事项需要考虑：

1. 采用障碍：虽然zkVM与各种区块链的兼容性是一个重大优势，但广泛采用仍将取决于区块链项目将其技术集成到其网络中的意愿。
2. 安全问题：零知识证明引入了复杂的密码学技术，任何漏洞都可能构成重大安全风险。持续审计和改进zkVM实施对于维持用户信任至关重要。
3. 监管环境：随着区块链技术的发展，它将继续面临监管审查。监管机构将如何处理零知识证明及其应用尚不清楚，这可能会影响zkVM的未来采用。

结论

从zkEVM到zkVM的旅程代表了在解决区块链可扩展性挑战方面迈出的重大一步。虽然zkEVM奠定了基础，但zkVM提供了更通用和可扩展的解决方案，有可能彻底改变区块链技术在各个行业的使用方式。

向zkVM的过渡并非没有挑战，但它在跨平台兼容性、用户友好性、数据管理和交易处理速度方面带来的好处使其成为区块链空间中引人注目的进步。随着zkVM不断发展和在区块链生态系统中找到自己的位置，我们可以期待看到更多可扩展和高效的区块链应用程序，这些应用程序有可能改变行业并改善世界各地人们的生活。