Foresight Ventures深度解析zk、zkVM与zkEVM技术原理及未来发展前景

TL; DR 零知识证明技术, 可以保证计算的完整性、正确性和隐私, 在区块链扩容和隐私中有应用. zk-SNARK 和 zk-STARK 各有优点, 而它们的合理结合更加有潜力. zkVM 能赋予应用零知识证明能力, zkVM 分为使用主流、EVM 或全新指令集. EVM 的适配包括 EVM 兼容性、等同性和 Specification 上的适配. zkEVM 是兼容 EVM 而又零知识证明友好的环境, 主要分为原生和编译流派. 基于原生的 zkEVM 是以太坊和区块链的未来. 支持 Solidity 生态的通用 zkVM 是 Web3 的未来.

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TL; DR

零知识证明技术作为区块链领域的重要突破,既能确保计算的完整性和正确性,又能保护隐私,在区块链扩容和隐私保护方面展现出巨大潜力。目前主流的zk-SNARK和zk-STARK技术各有优势,而它们的有机结合可能带来更强大的解决方案。在应用层面,zkVM为开发者提供了零知识证明能力,根据指令集不同可分为主流、EVM和全新优化指令集三大类。特别值得注意的是,zkEVM作为兼容EVM同时又对零知识证明友好的执行环境,正成为区块链技术发展的重要方向,其中原生zkEVM尤其值得关注。展望未来,支持Solidity生态的通用zkVM很可能成为Web3发展的关键基础设施。

零知识证明的通俗理解

让我们用一个生动的例子来理解零知识证明:想象你是一名小学生,老师想验证你是否掌握了一元二次方程的解法,但不需要你直接背诵公式。老师随机出10道相关题目,如果你确实掌握了知识,就能全部解答正确。这个过程既验证了你的知识水平,又无需透露具体的知识内容。

这种验证方式其实有着悠久的历史,可以追溯到Tartaglia与Cardano关于一元三次方程发现权的争论。双方都不愿透露自己的解法,但通过解题验证的方式,既保护了知识隐私,又确认了对方的掌握程度。

在区块链领域,零知识证明的价值在于它能显著节省计算资源、压缩链上存储空间,同时提供隐私保护,完美契合区块链去中心化信任的特性和密码学的本质。

SNARK与STARK的技术对比

区块链领域常说的”zk”有时并非严格意义上的零知识证明,更多是指有效性证明(Validity Proof)。这种术语上的混淆在业内相当普遍,本文也会沿用这种习惯用法。

当前区块链技术版图中,zk技术已成为扩容和隐私保护的最前沿解决方案,在Tornado.cash、ZCash、zkSync等多个知名项目中得到应用。主流技术方案分为SNARK和STARK两大类:STARK中的”S”代表可扩展性,适合具有重复结构的证明场景;而SNARK支持任意电路,通过预处理实现简洁证明。

从技术特性来看,STARK具有多项优势:更低的gas费用、更大的批量处理能力、更快的证明速度、无需可信设置以及后量子安全性。不过STARK生成的证明体积较大,在某些场景下可能需要额外处理。有趣的是,一些项目已经开始探索将两种技术结合使用,比如Polygon Hermez就采用SNARK来验证STARK证明的正确性,从而优化整体gas费用。

zkVM的技术特点

早期的零知识证明应用如Tornado.cash功能较为单一,主要支持转账操作。而zkVM作为由零知识证明保障安全的虚拟机,能够支持更通用的计算场景。简单来说,zkVM接收旧状态和程序输入,经过验证后输出新状态,为各类应用赋予零知识证明的能力。

zkVM的优势主要体现在易用性、通用性、简洁性和递归特性上。开发者无需深入密码学知识就能利用zkVM确保计算安全,同时zkVM支持任意程序的验证,验证过程本身也可以通过VM来实现,这种递归特性为构建多层验证体系提供了可能。

当前zkVM主要分为三类:基于主流指令集(如WASM、RISC-V)、基于EVM字节码,以及专门为zk优化的全新指令集(如Cairo和zkSync)。这些不同类型的zkVM各有特点,开发者可以根据具体需求选择合适的方案。

EVM适配的三个层面

EVM作为以太坊虚拟机的核心,多年来一直是各公链兼容的重点对象。在适配EVM的过程中,主要涉及三个不同层次:语言层面的EVM兼容性,字节码层面的EVM等同性,以及规范层面的完整适配。真正的zkEVM往往会在保持向后兼容的同时,提供账户抽象等增强功能,成为EVM的超集。

zkEVM的实现挑战

构建zkEVM面临两大主要挑战:首先是电路复杂度问题,不同智能合约需要生成不同的验证电路,这些电路往往相当复杂;其次是整体设计难度,不仅需要重构EVM,还要用零知识证明技术改造整个以太坊的状态转换机制。

由于EVM最初设计时并未考虑零知识证明的需求,这导致当前zkEVM的实现形成了两大技术流派。从架构角度看,可以分为直接处理EVM操作码的方案和通过中间转换的方案。StarkWare采用后一种方式,通过Warp工具将Solidity转换为Cairo合约,或者直接使用Cairo编写合约。

从开发者和用户体验来看,这些方案差异不大,但在基础设施兼容性方面,越靠近右侧的方案与现有EVM生态的兼容性越好,可以无缝对接Geth等基础设施,不过开发进度通常也更慢。

zkVM的广阔前景

虽然zkEVM为以太坊生态注入了新的活力,但zkVM的意义远不止于此。像StarkNet的Cairo VM这样的zkVM不仅支持以太坊现有功能,还能实现机器学习模型等更复杂的计算任务。相比zkEVM,zkVM的构建更简单、更灵活、也更容易优化。

理想情况下,一个完美的zkVM应该支持多种编程语言,让所有开发者都能轻松进入Web3世界。正如一些专家所言,EVM本身可能只是一个过渡方案,真正重要的是通用计算能力。当前已有多个项目在探索WASM或RISC-V架构的zkVM,支持Rust、Go、C++等多种语言。

从长远来看,如果Web3要实现大规模普及,必然需要吸引更广泛的开发者群体。原生zkEVM代表了区块链技术的未来发展方向,而通用zkVM则可能成为整个Web3生态的基础设施。这两者的结合,将为去中心化应用开启全新的可能性。

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