ZK-EVM 和以太坊第 1 層驗證的未來：挑戰和解決方案_以太坊

通過其多客戶端理念和即將到來的向ZK-EVM的過渡，了解以太坊的安全性和去中心化。在這篇內容豐富的文章中了解更多信息。

介紹

以太坊作為區塊鏈網絡的概述

以太坊是世界上最受歡迎的區塊鏈網絡之一，以其智能合約功能和去中心化應用程序(dApps)而聞名。以太坊維護其安全性和去中心化的方式之一是通過其多客戶端理念。

與其他區塊鏈網絡不同，以太坊沒有每個人都默認運行的默認“參考客戶端”。相反，有一個協作管理的規范，用人類可讀性強但速度非常慢的Python語言編寫，多個團隊實現規范，稱為“客戶端”，這是用戶實際運行的。

以太坊多客戶端理念詳解

每個以太坊節點運行一個共識客戶端和一個執行客戶端。目前，沒有共識或執行客戶端占網絡的2/3以上。這意味著如果在其類別中份額低于1/3的客戶端出現錯誤，網絡將照常運行。如果在其類別中擁有1/3到2/3份額的客戶有錯誤，鏈將繼續添加塊，但它會停止敲定塊，從而為開發人員提供時間進行干預。

Vitalik：跨鏈證明是實現跨鏈社交恢復錢包的關鍵，ZK-SNARK等是可行選擇:6月20日消息，以太坊聯合創始人VitalikButerin在最新文章《更深入探討錢包和其他用例的跨L2讀取》中指出，實現跨鏈社交恢復錢包的一個可行方案是維護一個存放在特定位置的密鑰庫，以及多個不同位置的錢包，這些錢包可以讀取密鑰庫來更新自身的驗證密鑰視圖或在每次交易驗證過程中。跨鏈證明是實現這個功能的關鍵，需要對其進行深度優化，可能的方案包括零知識證明（ZK-SNARK）、等待Verkle證明或自定義KZG解決方案。

從長遠看，我們需要實現聚合協議，通過生成聚合證明來打包所有用戶提交的操作，以此來降低成本。這可能需要將其集成到ERC-4337生態系統中，可能需要對ERC-4337進行一些修改。同時，為了減少從L2內部讀取L1狀態的延遲，L2應被優化。

錢包不只可以放在L2上，也可以放在與以太坊連接程度較低的系統上，如L3或只同意包含以太坊狀態根的獨立鏈。然而，密鑰庫應放在L1或高安全性的ZK-rollupL2上。盡管這樣會增加復雜性，但從長期來看，可能在L2上設置密鑰庫才是成本更低的方案。在這個過程中，我們也需要致力于提供保護隱私的解決方案，并確保我們的方案可以與隱私保護方案兼容。[2023/6/21 21:50:47]

ZK-EVM概述

ZK-EVM Kakarot完成pre-seed輪融資，Vitalik、StarkWare等參投:6月2日消息，zkEVM 開發平臺 Kakarot 完成Pre-Seed 輪融資，StarkWare、LambdaClass 和天使投資人 Vitalik、Nicolas Bacca、Rand Hindi 等參投。

Kakarot zkEVM 是 Cairo 實施的 EVM，利用 STARK 證明來證明交易和區塊，確保透明度和安全性。據介紹，Kakarot zkEVM 發展分為三個階段：1、作為 EVM 存在于 Starknet L2 上；2、和 Starknet 定序器 Madara 合力創建第 3 層 zkEVM；3、Kakarot 和 Madara 組合啟用類型 1 zkEVM。[2023/6/2 11:54:47]

以太坊鏈驗證方式即將發生的一個重大轉變是ZK-EVM的興起。證明EVM執行的SNARK已經開發多年，該技術正被稱為ZK匯總的第2層協議積極使用。這些ZK匯總今天在主網上很活躍，很快就會有更多。從長遠來看，ZK-EVM不僅僅用于匯總；它們也將用于驗證第1層的執行情況。一旦發生這種情況，ZK-EVM實際上成為第三種類型的以太坊客戶端，對網絡安全的重要性與當今的執行客戶端和共識客戶端一樣重要。

Cardano推出首個ZK-Rollups擴容解決方案Orbis:2月25日消息，Cardano（ADA）推出首個 ZK-Rollup Layer 2 解決方案 Orbis，旨在通過提升可擴展性和交易吞吐量支持 DeFi 應用程序和區塊鏈生態系統，交易會在 Orbis Layer 2 鏈下執行并形成一個零知識證明，然后提交給 Cardano Layer 1。

Orbis 有兩個主要組件：證明者（Prover）和驗證者（Verifier），前者目的是構建 zkSNARK 證明來驗證交易的發生，后者是一個鏈上智能合約，接受鏈上資產輸入，將它們鎖定在合約中，以便它們可以在 Rollup 中使用并確保不會出現雙花風險。據了解，Orbis 團隊已經在 Project Catalyst 的 Ideascale 平臺上發布了資金申請，希望申請 100 萬美元資金來支持開發和上線工作。[2022/2/25 10:16:05]

然而，這種轉變引發了一些有趣的問題，即ZK-EVM將如何與多客戶端理念交互。困難的部分之一已經完成：正在積極開發多個ZK-EVM實現。但其他困難的部分仍然存在：我們如何真正為ZK證明以太坊區塊的正確性創建一個“多客戶端”生態系統？這個問題提出了一些有趣的技術挑戰——當然，還有一個迫在眉睫的問題，即權衡是否值得。

Horizen在主網發布zk-SNARK跨鏈協議Zendoo:12月3日消息，Horizen在主網發布zk-SNARK跨鏈協議Zendoo，Zendoo是一種獨特的互操作性協議和擴展解決方案，開發人員可以使用Zendoo構建支持zk-SNARK的自定義區塊鏈，在不影響去中心化的情況下提供大量吞吐量。（Cointelegraph）[2021/12/3 12:47:57]

未來ZK-EVM將如何進入第1層？

ZK-EVM解釋

ZK-EVM，或零知識以太坊虛擬機，用于匯總以通過使昂貴的EVM執行僅在鏈外發生幾次來增加擴展性。其他人只需驗證鏈上發布的SNARK，以證明EVM執行計算正確。

這也允許一些數據，特別是簽名，不包含在鏈上，從而節省gas成本。將可擴展計算與ZK-EVM以及可擴展數據與數據可用性采樣相結合，可能會帶來顯著的擴展優勢。然而，以太坊網絡在驗證第1層時面臨困難，因為在第1層運行自己節點的用戶并不多。相反，大多數用戶信任第三方提供商。Helios和Succinct等輕客戶端正在采取措施解決這個問題。然而，輕客戶端遠非完全驗證節點，不驗證鏈是否遵循協議規則。需要一種不同的解決方案來將我們帶到一個用戶可以驗證鏈是否遵守規則的世界。

Bitfinex首席技術官：Tether正在調查zk-rollups方案是否可減輕ETH壓力:8月31日，Bitfinex首席技術官Paolo Ardoino發推稱，在OMG（Tether已宣布OMG Network上發行USDT）之后，Tether正在調查zk-rollups支持是否可以減輕ETH鏈上交易壓力。Paolo Ardoino稱，與此同時，本來Tether計劃集成一個和交易費相關的新特性，但后來我們決定把重點放在第2層解決方案上。[2020/9/1]

選項1：收縮第1層

以太坊網絡的多客戶端理念對其安全性和去中心化至關重要。ZK-EVM的興起是網絡即將到來的重大轉變。以太坊的擴展方法可能是將第1層每個區塊的gas目標減少到100萬，這可能會迫使幾乎所有用戶活動轉移到第2層協議。在這種情況下，第1層的唯一功能是成為第2層協議的票據交換所，驗證它們的證據并偶爾促進它們之間的大筆資金轉移。

這種設計仍然可以支持在每個塊中提交的許多匯總。我們可以使用由自定義構建器運行的鏈下聚合協議，將來自多個第2層協議的SNARK聚集在一起，并將它們組合成一個SNARK。SNARK驗證第1層有一個重要的好處：它可以大大增加EVM執行的數量。這可以通過大幅提高第1層氣體限制、引入enshrinedrollup或兩者兼而有之。

挑戰

隨著以太坊不斷發展壯大，在使用ZK-SNARK驗證網絡的第1層時，需要考慮幾個挑戰。雖然這種方法可能會帶來很多好處，但也有很多障礙需要克服。

ZK-SNARK驗證的主要挑戰之一是向后不兼容的可能性。如果實施這種方法，許多現有的基于L1的應用程序在經濟上可能變得不可行。隨著費用變得如此之高以至于超過清空這些賬戶的成本，用戶資金可能會陷入困境。雖然用戶可能會簽署消息以選擇加入到他們選擇的L2的協議內大規模遷移，但這會增加過渡的復雜性。讓它足夠便宜將需要在第1層使用一些SNARK，這可能很困難。

另一個挑戰是驗證是否可以針對不同的設備變得足夠便宜。理想情況下，以太坊協議應該不僅在筆記本電腦上而且在手機、瀏覽器擴展程序甚至其他鏈中都應該易于驗證。第一次同步鏈，或者長時間離線后，應該也很容易。雖然筆記本電腦節點可以在大約20毫秒內驗證100萬氣體，但離線一天后同步可能需要長達54秒。為手機或瀏覽器擴展驗證每塊幾百毫秒可能仍然是一個不可忽略的電池消耗。這些數字是可控的，但并不理想。

好處

盡管存在這些挑戰，但即使在L2優先的生態系統中，讓L1在某種程度上負擔得起也是有好處的。如果用戶在注意到新的狀態數據不再可用時可以提取資金，Validiums可以從更強大的安全模型中受益。如果經濟上可行的跨L2直接轉移的最小規模較小，套利將變得更加有效，尤其是對于較小的代幣。

鑒于這些挑戰，找到一種使用ZK-SNARKs來驗證第1層本身的方法可能更合理。這種方法可能行得通，但仍有重大障礙需要克服。主要挑戰之一是向后不兼容的可能性。盡管如此，仍有一些潛在的解決方案，例如允許用戶簽署消息以選擇加入到他們選擇的L2的協議內大規模遷移。此外，在不同設備上快速有效地驗證鏈仍然具有挑戰性。然而，通過解決這些挑戰，有可能釋放ZK-SNARK驗證可以提供的許多好處，同時仍然保持以太坊網絡的安全性和效率。

選項2：SNARK-verifylayer1

一個提議的解決方案是SNARK驗證第1層，這將涉及使用類型1ZK-EVM來驗證以太坊塊的EVM執行。這將是一個具有挑戰性的工程問題，因為ZK-EVM需要幾分鐘到幾小時來驗證以太坊區塊，并且實時生成證明需要一個或多個改進以太坊本身以刪除對SNARK不友好的組件，要么通過專用硬件大幅提高效率，要么(iii)通過更多并行化改進架構。然而，沒有根本的技術原因不能做到這一點——因此預計即使需要很多年也能完成。

SNARK驗證第1層有三個選項，每個選項都有自己的一組挑戰。

第一種選擇是使用單個ZK-EVM來驗證塊，這將放棄多客戶端范例。

第二種選擇是就一組特定的多個ZK-EVM達成一致，并制定共識層協議規則，即一個區塊需要來自該組中超過一半的ZK-EVM的證明才能被視為有效，這將關閉開發新客戶并導致更集中的生態系統的可能性。

目前，第三種也是最可行的選擇是讓不同的客戶端使用不同的ZK-EVM實現。這將保持多客戶端范例的優勢，但它有其自身的一系列挑戰。

挑戰

實施第三種選擇不會太困難。每個類型的證明都可以有一個p2p子網，使用一種類型證明的客戶端將監聽相應的子網絡，并等待他們收到驗證者認為有效的證明。但是，此選項的兩個主要挑戰可能如下：延遲挑戰和數據效率低下。

在設計單時隙最終協議時要小心，可以解決延遲挑戰。單時隙最終協議可能需要每個時隙超過兩輪的共識，因此可能需要第一輪包含區塊，并且只需要節點在第三輪簽署之前驗證證明。這確保了在發布區塊的截止日期和預計提供證明的時間之間始終有一個重要的時間窗口可用。

數據效率問題必須通過單獨的協議來匯總與驗證相關的數據來解決。對于簽名，我們可以使用ERC-4337已經支持的BLS聚合。另一類與驗證相關的重要數據是用于隱私的ZK-SNARKs。幸運的是，這些通常都有自己的聚合協議。

好處

SNARK驗證第1層有一個重要的好處：它可以大大增加EVM執行的數量。這可以通過大幅提高第1層氣體限制、引入enshrinedrollup或兩者兼而有之。通過使鏈上EVM執行不再需要由每個節點驗證，可以增加EVM執行的數量。

盡管SNARK驗證第1層有潛在的好處，但仍有幾個挑戰需要考慮。雖然ZK-EVM的實施可以實現可擴展的計算和數據采樣，但仍然需要解決向后兼容性和設備驗證問題。可用于SNARK驗證第1層的三個選項都有其自身的一系列挑戰，但第三個選項目前似乎是最可行的。實施此選項不會太困難，但它有其自身的一系列挑戰，例如延遲挑戰和數據效率低下。然而，通過解決這些挑戰，有可能釋放SNARK驗證層1可以提供的許多好處，同時保持以太坊網絡的安全性和效率。

結論

以太坊的多客戶端理念對其安全性和去中心化至關重要，而ZK-EVM的興起將成為網絡即將到來的重大轉變。盡管仍有技術挑戰需要克服，但多個ZK-EVM實施的開發是網絡未來的一個有希望的跡象。隨著網絡的不斷發展和演變，找到使用ZK-SNARKs驗證第1層的方法，同時解決向后兼容性和設備驗證的挑戰將非常重要。通過這樣做，有可能釋放ZK-SNARK驗證可以提供的許多好處，同時保持以太坊網絡的安全性和效率。

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