zkEVM領域的新興力量：以太坊Layer2擴展技術探討

以 ZK rollups 技術展開的項目不難看出最終目標都是 zkEVM，而從去年至今將是日常加密貨幣用戶將能夠首次嘗試 zkEVM 的一年。

Layer 2 擴展是目前行業最關鍵的問題之一，原先 L1 是由以太坊本身實現的，在以太坊區塊鏈上運行智能合約平台，但由於以太坊的原始架構存在吞吐量限制和高昂交易手續費等問題，因此需要構建 L2 擴展解決方案來提高交易速度和降低成本。

而基於 zkEVM 項目旨在提高以太坊的可擴展性和安全性，通過使用零知識證明、分片技術和其他技術來實現更快、更高效的交易。

zkEVM（Zero-Knowledge Execution Environment Virtual Machine）是一種利用零知識證明實現隱私保護的以太坊虛擬機。它允許以保護智能合約條款和合約中涉及的數據隱私方式執行智能合約，其中完全是通過零知識證明所實現的。

可以把 zkEVM 視為，在以太坊的智能合約執行過程中，部分數據可在不泄露原始數據的情況下進行處理和驗證。項目若引入 zkEVM 可以有效提高智能合約的隱私性和性能，而藉由 zkEVM，用戶可以在保護隱私的前提下，以更快的速度執行包含秘密計算的智能合約。

根據 Vitalik 的解讀，zkEVM 可分為：

（一）類型 1 PSE：（完全以太坊——等效）——zkEVM 不會改變以太坊系統的任何部分，並力求完全等效。

（二）類型 2 Scroll（完全 EVM——等效）——zkEVM 看起來會完全等同以太坊，但在數據結構和狀態樹等方面有所不同。

（三）類型 2.5 （EVM——等同於 gas、成本除外）——zkEVM 顯著增加 GAS 成本，以滿足 EVM 中非常難以 zk 證明的特定操作，而開發人員在此處部署 dApp 時需要小心，因這些可能會破壞一些開發人員的工具。

（四）類型 3 （幾乎等效於 EVM）——zkEVM 幾乎等效於 EVM，但它們必須做出一些犧牲並刪除那些難以在 zkEVM 系統中實現的功能。

（五）類型 4 （高級語言等效）——這些 zkEVM 在語言級別（Solidity、Vyper）是兼容的。

他們採用用這些語言編寫的智能合約，並使其有可能用另一種用於構建 zkEVM 系統的語言進行編譯。目前，zkSync 就是這樣一種 zkEVM 實現。

zkEVM 分類與線路

目前以太坊擴容方案 Rollup 有兩大不同的賽道，Optimistic Rollup 與 zk Rollup，他們執行原理差不多，主要區別在於交易驗證過程。

值得注意的是，zk Rollup 的「零知識證明（ZKP）」技術使用了諸如 SNARKs，這種加密方式驗證並在以太坊上發布其交易批次。

因此可以將 ZK rollup 理解成，通過零知識證明（ZKP）將鏈下執行與鏈上數據結合起來，也逐步成為 ZK 主流解決方案。

但除了 ZK-rollup 之外，其實還有另外兩種解決方案——Validium 和 Volitions。

首先，ZK-rollup 的運作簡單來說是將多筆交易打包在一起，發布到 L1 上，同時發布一個證明（用零知識證明技術）來聲稱這些交易有效，一旦在 L1 上驗證確實有效，zk-rollup 的狀態就會更新。

這套證明機制也被稱作「有效性證明」，目前 ZK-rollup 主要採用的證明機制有 zkSNARK 和 zkSTARK。

接着還有 Validium 和 Volitions。

ZK-rollup 將交易分批發送到 L1 上去執行，是一種無需信任的「自定義安全性」。Validium 則是直接在鏈下執行，並通過零知識證明來維護數據，只有需要的時候才在主網上驗證取款請求的有效性證明。

所以 Validium 可擴展性更高於 ZK-rollup（目前最高的 TPS 可以達到 20000 以上），缺點即是，它把信任權交給鏈外「弱信任」第三方擴容，遭受攻擊導致數據不可用或者用戶無法取出資金的機率較高。

其中，解決安全的方式即是「採用 PoS 機制」，以經濟激勵來確保數據皆以儲存在各個節點當中並且隨時可用。

目前採用 Validiums 方案的代表項目是 Immutable X，以 NFT 為中心的擴展解決方案。Vitalik 也曾說過 Validium 嚴重被低估，其實大多數 dApp 用 Validium 就已經可以滿足運行需求了。

至於 Volitions，它是 StarkWare 團隊結合 ZK-rollup 和 validium 創造出的 Volitions 方案，顧名思義是關於「決斷能力」。Volitions 本質上可同時提供 ZK-rollup 和 validium 兩種服務，因為它們共享同一個狀態根（state root），用戶可以自行選擇每筆交易的 DA 模式。

即便像上述所說，Validium 遭受到攻擊導致數據不可用或者用戶無法取出資金，ZK-rollup 上的資金仍然可以保證安全。因用戶可在涉及重要資金往來時選擇 ZK-rollup 模式，共享以太坊的安全性，如果是日常娛樂、社交或者小額交易，就可切換回 Validium 模式來提高速度並節省成本。

zkEVM 項目最新進展、分析

1.StarkNet

根據 Dune 顯示，StarkNet 橋接用戶量達到 318, 253 個，超越 Optimism 的 317, 758 個。不過在橋接儲存總價值方面，StarkNet 仍落後 Optimism，前者橋接儲存價值為 39, 900 ETH，後者橋接儲存價值為 527, 480 ETH，價值超 10 億美元。作為四大 L2 中（Optimism、Arbitrum、zkSync、StarkNet）估值最高的項目，StarkNet 生態項目，近期的交易活躍度就可見一斑。

StarkNet 已經於 2022 年 11 月 16 日宣布在以太坊主網上部署了其原生代幣 $STRK，用於投票、質押和支付費用，代幣分配仍待決定。而 StarkNet 母公司 StarkWare 成立於 2018 年，總部位於以色列，兩個主要產品為基於以太坊主網構建的擴容引擎 StarkEx 和通用型 ZK-Rollup StarkNet。首先，StarkNet 是 StarkWare 推出的通用型 L2，採取有效性證明方案來獲得主網的安全性，通過 STARK+Cairo 將有效性證明技術打造屬於 StarkNet 原生的生態。

簡單來說，用戶發起交易後會將交易發送給 Squencer 進行驗證、排序和執行，並打包批次，Squencer 通過 Cairo OS 執行交易（Cairo 語言有著 zk 友好特性），也就是 EVM 的角色。Squencer 再將執行交易的蹤跡遞交給 Prover，由 Prover 對計算完整性生成一個有效性證明，這裡的 Prover 也為 StarkEx 生成有效性證明，且可以聚合來自不同 StarkEx 應用和 StarkNet 的交易，實現共享。

二者所使用的底層技術是相通的，StarkEx 相當於通過單個 App 中心化營運的方式提前使用了 ZK Rollup 技術，而 StarkNet 則承擔了建立節點網路的去中心化任務。StarkWare 對領域的一項重大貢獻，就在於通過 Cairo 語言，將所有的智能合約計算結果轉化成了可證明的多項式方程，由此讓智能合約與 Validity Proof 相兼容。

StarkWare 在 7 輪融資中累計已獲得 2.73 億美元融資，其中母公司 StarWare 估值 80 億美金，這也是為何是四大估值最高原因之一。在 zk-rollup 的細分賽道中，StarkNet 並沒有在 zkEVM 占上一定用戶比例，目前，StarkNet 的生態僅是初現雛形，交易量過於稀少也讓 StarkNet 難以積攢足夠數量的交易來均攤有效性證明的成本，導致 StarkNet 的交易確認時間較長，無法發揮極致的可拓展性。

不過今年 1 月 5 日，StarkWare 宣布正式推出編程語言 Cairo 1.0 公開版本，正式取代為期兩年的測試、預覽版本，也標誌着使用該語言在 StarkNet 上編寫智能合約已經成為可能，同時也會兼顧高效的執行效率，成為 ZK 系 Layer 2 Rollup 技術派的里程碑事件。

可見對於開發生態對於項目方來說才是生態系統的基礎，據 Electric Capital 統計，StarkWare 的全職開發者是 Aptos 和 Sui 的兩倍，算上兼職可能有 3 倍左右，而且數量還在增長之中。過去 1 年來增長了 214% ，過去 2 年來增長了 2220% 。即便 StarkNet 暫時放棄朝 EVM 兼容性路線走，但也讓 StarkNet 更放開手聚焦於獲得更加靈活的開發體驗，吸引多元化的開發者。

2. zkSync Era

去年 10 月以太坊 L2 擴容解決方案 zkSync 的 zkSync 2.0 主網第一階段 Baby Alpha 上線，成為以太坊上第一個 zkEVM 項目中發布的主網，而在今年 3 月 24 日 zkSync 則宣布，zkSync 2.0 主網已進入第二階段 Fair Onboard Alpha，允許註冊項目皆能在主網上部署，甚至決定將 zkSync 2.0 更名為 zkSync Era、zkSync 1.0 則更名為 zkSync Lite。zkSync Era 主網正式向公眾開放後， 3 天內單一地址數便突破 10 萬個， 1.8 萬枚 ETH 跨鏈進入 zkSync Era。截至今年 4 月 14 日，zkSync Era TVL 已達 2.4 億美元。

先前 ZkSync Lite 的交易成本其實不高，但整體速度較慢；而 ZkSync Era 則進一步提高了交易速度、並大幅降低了交易成本。不僅如此，ZkSync Era 將會有和現存開發工具更多的集成，以降低外部開發者的進入門檻，簡單來說，在這次更新後，ZkSync Era 將會和雲端開發環境進行兼容適配，比如谷歌雲服務儲存數據。

還有，GPU 和非 GPU 環境，都可用於秘鑰生成和設置，並且 GPU 加速仍會優化，以便於未來開發硬體加速設備。

zkSync Era 亮點分別為：

( 1) 完全不依賴第三方卻類似主網的安全性：支持 Solidity 0.8.x 版本，和以太坊主網開發環境保持一致。

( 2) 無需許可權的 EVM 相容智能合約：zkSync 的 EVM 兼容性，使 Solidity 和 Vyper 編寫的智能合約無需重構即可在 zkSync 上使用。zkSync 這次還為 EVM 語言（Solidity、Vyper、Yul）構建了第一個基於 LLVM（LowLevelVirtualMachine）的編譯器，得益於 LLVM 的開源和普適性，最終可讓開發人員使用 C++、Rust 等語言編寫智能合約。

( 3) 標準 Web3 API：Web3 API 與 Ethereum 幾乎完全兼容，開發者可使用絕大部分 API。

( 4) 保留關鍵的 EVM 功能，例如智慧合約可組合性。

( 5) 引入新功能，如抽象帳戶：zkSync Era 直接使用本地抽象帳戶，協助 Era 上的任何帳戶可以用任何代幣支付費用，甚至可以在一些協議願意補貼的條件下讓用戶以零費用進行交易。

( 6) 執行延遲機制：根據官方 3 月 24 日消息指出，zkSync 宣布 zkSync Era 多層安全機制中的其中一種機制，即「執行延遲」，也就是每個提交給 L1 的 L2 區塊在執行和最終確定之前都會有一個時間鎖，最初該延遲將是 24 小時，隨著系統的成熟，該延遲將逐漸減少，直到移除 Alpha 階段，屆時延遲將被完全移除。此舉主要是要確保團隊有足夠的時間在區塊成為最終區塊之前驗證包含在區塊中的交易所帶來的任何影響，並且有足夠的時間來檢測漏洞、調查並通過治理凍結協議。

以上為 zkSync 技術目前最新進展。而 zkSync 開發公司 Matter Labs 的融資背景和技術背景不容小覷，Matter Labs 已於 2022 年 11 月完成 2 億美元融資，且團隊早在 2020 年 12 月 20 日踏上 ZK 道路，推出了 zkSync Lite（zkSync 1.0），但當時由於缺乏 EVM 功能，開發人員使用起來相對不便。

因此，可以說 zkSync Era 目前完成度相較以往較高，其面向開發者和項目的技術，例如開源了 zkEVM（零知識以太坊虛擬機）更讓開發人員易使用構建自身的生態系統。

其次，zkSync Era 對於接入 Web2 以及硬體之應用以加速和鏈間擴展性，也有更多的技術儲備。

現在生態不僅更適合開發者還有項目可構建自身的生態系統，更吸引了多個應用，包括 DeFi、錢包、跨鏈、NFT、基礎設施等多個領域，不過 zkSync Era 還處在 Alpha 階段，生態內許多項目皆屬於其他網路的應用遷移，極少原生應用，其風險性依舊未知。

3. Polygon zkEVM

Polygon zkEVM 主網測試版本 3 月 27 日 正式上線，Vitalik 在上面完成了第一筆交易，這次與 EVM 完全兼容，這也意味著它支持與以太坊相同的程式代碼。在過去的一年中，Polygon 是收入最高的鏈，收入超過 2600 萬美元，而 Arbitrum 和 Optimism 分別為 1900 萬美元和 1800 萬美元。

而在去年 10 月上線測試網以來，已取得許多重要的里程碑，包含生成超過 75, 000 個 ZK 證明，部署 5, 000 個智能合約，大量交易生成的證明成本低至 0.06 美元等。

這一次主網更有突破性發展，Polygon zkEVM 已經通過了 100% 適用於 zkEVM 的以太坊測試向量，開發人員無需修改或重寫任何程式碼，且所有以太坊工具都可以與 Polygon zkEVM 無縫協作，意味著在 ZK Rollup 的 EVM 兼容再邁出一大步，推測已達到 type 2 的水平，完全等效於 EVM。

會說 Polygon zkEVM 繼承了以太坊的安全性，是因 Sequencer 做了類似以太坊 Proposer 的工作，提議了一批交易是有效交易，並且給出了這批交易執行後的新狀態；而 L1 合約的驗證邏輯，相當於所有 L1 的 Validator 都會在自己的以太坊客戶端里執行一遍，實際上是所有的以太坊驗證者充當了 Rollup 的驗證者，因此才可以驗證 Polygon zkEVM 完全等同 L1。

根據 DuneAnalytics 數據，Polygon zkEVM 上線近 24 小時，已超過 2, 500 名用戶完成超過 2, 700 筆、 88 萬美元的跨鏈交易量，今（4/14 ）Polygon TVL 約 360 萬美元。

在過去的一年中，Polygon 是所有鏈中收入最高的，超過 2600 萬美元，而 Arbitrum 和 Optimism 分別為 1900 萬美元和 1800 萬美元。

然而，根據 Token Terminal 的數據，由於代幣激勵措施讓項目平均每年約多負 3 億美元，但這對 Polygon 擁有的 24 億美元資金庫來說根本不到占比的 15% 。

ZK 系以太坊二層擴容產品的競爭意味濃烈，目前 Polygon zkEVM 在 EVM 兼容性上看似暫時勝出，因此可以推測下一個競爭點則是正式上線主網的時間，以及誰先建立穩固的生態系統，預測 L2 將在今年 Q2 到 Q3 成為整個市場的熱點。

4. Scroll

Scroll 和 Polygon EVM 分別在開源技術上被市場認為做的最好的項目，除此之外，EVM 兼容程度也非常類似，V 神提出的 4 種不同類型的 ZK-EVM 類型按照兼容或是等效程度從高排列，Zk-sync 是 4 型，而 Scroll 和 Polygon 都是組在第 3 型正過渡到第 2 型的發展中。

Scroll 共同創辦人 Sandy Peng 4 月 10 日在 Foresight 香港峰會中宣布將推出激勵生態的合作計劃，未來 3 到 4 個月就會上線主網，近期還以 18 億美金的估值完成第三輪融資。

Scroll 於去年 8 月宣布試行第一個 Pre-alpha 測試網，使用戶能夠在該網路上進行交易，並且於今年 1 月 16 日首次完成測試網重置。根據最新消息指出，目前 Scroll 的 Alpha 測試網正式在 Goerli 測試網運行，已經從 Pre-alpha 階段過渡到 Alpha 測試階段，在 Alpha 測試網截至上周也已產生超過 100 萬個區塊。以技術來看，Scroll 開發了世界上最快的 GPU prover，允許任何人利用 GPU 機器搭建證明節點，實現去中心化。

加入的節點越多，算力越大，成本越低，從而激勵社區更新更好更快的硬體，迭代專屬於 ZK 的 ASIC，進一步縮小 L1 的最終確認時間和證明成本。在 ZK Rollup 賽道，Scroll 擁有最高的硬體計算效率，除了技術層面，Scroll 團隊追求社會和文化層面的去中心化。

2022 年，Scroll 團隊增加了 39 名成員，分布於 20 多個城市， 10 多個時區。其中超過 30 位都是 ZK 或者區塊鏈研究員和開發者。

除了在 EVM 兼容方面的優秀表現，Scroll 證明節點的去中心化和開源的社區經營都體現了以太坊的正統性，達到了價值觀層面的「兼容」，頂級硬體速度為 Scroll 注入了更大的潛力。

且 Scroll 的三個設計原則或核心價值 (社群驅動、安全第一和各個層面的去中心化) 是項目的競爭優勢。今年注入新資金後，Scroll 計劃繼續構建其產品，推出其主網並擴大其生態系統。為此，團隊表示 Scroll 未來會尋求將目前的團隊規模從 60 人左右增加到近 100 人。

5. Linea

Polygon zkEVM 主網 BETA 上線，帶給 zkEVM 新熱度；ConsenSys 官方也宣布其 ConsenSys zkEVM 更名為 Linea，並已向所有開發人員、用戶與協議開放測試網並原生集成了 MetaMask 和 Truffle 等工具；加上此前 Consensys 共獲超 7 億美元的融資（多於 Arbitrum 和 zkSync），由 Microsoft，SoftBank，Temasek，Coinbase Ventures 等參與投資。

而 Linea 技術亮點即是不使用轉譯器或自定義編譯器為 Solidity 智能合約生成 zk 證明，採用的是編譯後的 Solidity 字節碼。不僅可以降低漏洞和駭客攻擊的表面風險，且他們提供的創新證明者設計可確保更快的交易速度和更低的 Gas 成本。

Linea 寫道：「我們創新的證明器（Prover）設計確保了更快的交易速度和更低的 Gas 成本，而不會犧牲安全性。」就在向公眾開放 Linea 測試網後，僅在第一周，就看到了 270 萬筆交易、 354, 000 個唯一錢包地址、 75, 000 個已部署合約和 26, 000 個關注者，所以 ConsenSys 官方接着宣布創建了開放版紀念 NFT 來慶祝 Linea 的公開測試網發布。

結語

先不說以太坊本未來是否有機會會升級到 Type 1 zkEVM 以進一步進行鏈上擴展。目前單從 Type 2 到 Type 4 的外部 zkEVM 賽道來看，為開發人員和用戶提供獨特的定製和 UX 造就了蓬勃生態，這往往是現在以太坊 L1 無法做到的。

以 ZK rollups 技術展開的項目不難看出最終目標都是 zkEVM，而從去年至今將是日常加密貨幣用戶將能夠首次嘗試 zkEVM 的一年。去年年底市場給出 2023 年的建議是「在 zkEVM 成熟之前，市場格局應該依然是以 OP 主、ZK 為輔」，但今年年初大多 ZK 項目紛紛確認主網上線，看來時機會比去年格局來的更快，在技術上也更穩定了不少。

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