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Foresight Ventures: 详解 zk, zkVM, zkEVM 及其未来

作者:

时间:1900/1/1 0:00:00

作者:SuningYao,ForesightVentures

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。

零知识证明

不严谨但简单易懂地来介绍一下零知识证明:

你在上小学。老师是验证者,你作为学生是证明者。你如何证明你掌握了一元二次方程的求解公式呢?那就需要数学考试。

老师会随机出10道相关的题目,而你如果掌握了,则可以把他们都做出来。在这个过程中,你没有背诵或者默写求解公式的具体内容,但是老师却可以很简单地验证你的知识掌握程度。

其实这就是Tartaglia与Cardano(对的,就是这个名字)争夺谁是一元三次方程发现者时所采用的方法。他们都不想告诉对方自己公式的内容,但是通过做题,就可以很容易地验证且过程中不透露知识地,判断他们是否掌握了这一知识。

Terraform Labs推出非盈利组织LFG并注资5000万枚LUNA:1月20日消息,Terra区块链背后公司Terraform Labs已经成立了Luna Foundation Guard(LFG)。LFG是一个非盈利组织,专注于确保TerraUSD稳定币的价格稳定,并促进Terra生态系统的增长。

Terraform Labs已经向LFG捐赠了5000万枚LUNA,目前价值超过41亿美元。(Crypto Briefing)[2022/1/21 9:02:54]

零知识证明有什么用呢?用处就是,整个过程可以节省计算算力和压缩链上空间,同时也可以对隐私有保护,符合区块链去信任的特点以及密码学的基因。

SNARK和STARK

区块链领域中所用到或者提到的「zk」通常不是真正的零知识证明,而经常是ValidityProof。由于相关词汇的混乱,所以本文中的某些地方会延续这些「误用」。

在目前的区块链版图中,zk可以说是区块链扩容(不zk的ValidityProof)与隐私技术(真正的zk)的最前沿与最优解决方案,在Tornado.cash、ZCash、zkSync、zk.money、Filecoin和Mina等项目中都有使用。

目前的技术方案主要分为SNARK以及STARK两类。STARK中的S代表可扩展的,意味着被证明的语句有重复的结构,而SNARK支持任意的电路,这些电路被预处理以实现简洁的证明。其中对SNARK的技术实践占据了主导地位,STARK主要有StarkWare在已上线的产品中大规模采用。以下是它们之间的对比。

Gate.io上线FORTH、LEMD、SAFEMOON等币种杠杆交易和理财服务:据官方公告,Gate.io已开通FORTH、LEMD、SAFEMOON、HORD、USDC杠杆交易和理财服务,用户可以通过借入FORTH、LEMD、SAFEMOON、HORD、USDC的方式做空,或者通过借入USDT的方式做多。

Gate.io的理财和借贷市场是一个用户对用户的借贷平台(有抵押,理财无回本风险),平台不参与任何借贷和放贷。[2021/4/24 20:54:34]

从Meme的角度而言,STARK比SNARK优秀(?,StarWars,StarTrek)。

如果SNARK是以太坊2.0的未来,那么STARK就会是以太坊3.0的未来。正经的来说,STARK的优势在于:

更低的gas(更能scale)

更大的batchsize(更能scale*2)

更快的证明(更能scale*3)

没有trustedsetup(生成的参数仅对当前的应用有效,若出现了修改需要重新setup)

后量子安全

但是STARK生成的证明的体积更大,并且还大不少,由于比如WASM的一些限制,可能会在构建时需要额外的操作(这里是SNARK)。Mir前段时间在Starky给出了一个AIR-basedSTARK的实践,是Plonky2的一部分(Plonky2和Starky的关系比较复杂。。。)。我个人认为,体积大可以通过各种手法来优化,但是算法本身的时间复杂度是很难再进一步压缩的。

人气游戏堡垒之夜《Fortnite》推出以比特币为灵感的 \"Hodl \"皮肤:据官方消息,射击游戏堡垒之夜《Fortnite》推出了一款以比特币为灵感的游戏内 的“Hodl”皮肤供玩家购买。[2021/4/4 19:44:49]

这些零知识证明技术可以通过合理的结合来构建更强大的应用。比如PolygonHermez就通过SNARK来证实STARK的正确性,从而减少最终发布证明时的gasfee。

总结来说,SNARK和STARK都是优秀的零知识证明技术,各有千秋,而它们的合理结合更加有潜力。

zkVM

前面所说到的Tornado.cash和zk.money类似都是仅支持转账操作的零知识证明应用,不支持通用的计算。类比来说,这些应用都只有比特币的功能,远远不及以太坊的图灵完备,更不要说建生态了(比特币上的智能合约一直没做出生态来)。

zkVM就是一个由零知识证明来保证安全可验证可信特性的虚拟机,简单来说就是,输入旧状态和程序,返回新状态。它能让所有的应用都被赋予零知识证明的超能力。

Miden在ETHAmsterdam的演讲用一张图很好概括了zkVM到底是什么。

zkVM的优点:

易用:开发者不用学密码学或者零知识开发就可以使用zkVM来运行程序保证计算安全(不代表完全无门槛)

动态 | Michael Ford成为最新的Bitcoin Core代码维护者:据CoinDesk消息,Bitcoin Core长期贡献者Michael Ford在最近一次的CoreDev会议上被任命为这个开源软件项目的最新维护者。Ford将加入其他四个Bitcoin Core维护者的行列——Wladimir van Der Laan、Jonas Schnelli、Marco Falke、Samuel Dobson——共同完成“看门人”的工作,保障最流行版本的比特币节点软件的组织和前进。[2019/6/11]

通用:zkVM可以给任何程序和计算生成证明。

简洁:相对比较少量constraints就可以描述整个VM(不用重复生成整个VM的电路)。

递归:免费的递归特性。和通用性一样,对VM的验证可以通过VM来进行。这个就挺好玩,比如你可以在zkVM里放一个zkVM,就类似StarkWare说的L3的概念。

zkVM的缺点:

计算架构特殊:并非所有零知识证明系统可以被用来做zkVM。

性能问题:电路需要优化,可以为特定计算进行针对性优化。

现在主流的zkVM有三大类,括号中是它们的指令集:主流(WASM,RISC-V)、EVM(EVMbytecode)、ZK-Optimized(全新指令集,针对零知识证明所优化,比如Cairo和zkSync)。以下是根据Miden在ETHAmsterdam的演讲所整理的类型对比图:

CRM巨头Salesforce计划发布区块链产品:据techcrunch网站报道,在3月底接受Business Insider采访时,Salesforce联合创始人Marc Benioff和Parker Harris谈到公司该如何开始研究区块链产品。Benioff表示在瑞士参加世界经济论坛时,他开始思考区块链以及如何将其用在Salesforce产品中。他表示,他越思考就越相信Salesforce可以利用区块链。他想到到了一种让区块链和加密货币在Salesforce中工作的方法, “这就是它的工作方式,我希望通过Dreamforce,我们将推出一个区块链和加密货币解决方案。”Dreamforce是Salesforce的年度客户会议,将于今年9月25日至28日在旧金山举行,如果一切按计划进行,Salesforce可能会在今年发布区块链产品。[2018/4/9]

很多零知识证明开发生态所做的事情大多是让开发者能用Circom库(以及snarkyjs这种)或者其他新创造的语言(Leo或者Cairo这种语言都有奇奇怪怪的限制)来做通用zkDApp的开发,但是没有像以太坊上用Solidity那么直接和易学。

除此之外,还有很多项目,比如zkSync,Scroll,或者Polygon旗下的好多家都在尝试做zkEVM或者其他的zkVM。

EVM

EVM就是以太坊的虚拟机,也可以理解为运行智能合约的一套执行环境。

数年来,各个公链都在不停尝试着去兼容EVM,从而接入到以太坊的开发生态当中。对于这个概念,衍生出了EVM兼容,等同和其他一些定义。

EVM兼容性:Solidity等语言层面的适配。

EVM等同性:EVM字节码层面的适配。

EVMSpecification适配:也就是通常所说的真正的zkEVM,大多情况下甚至是向后兼容的优化后的超集,能提供账户抽象(就是每个账户都是一个智能合约)等EVM没有提供的特性。

zkEVM

我们再来解读一下zkEVM。定义上来说,zkEVM是一种兼容EVM同时又对零知识证明友好的虚拟机,能保证程序,操作,和输入输出等的完全正确性。

对于实现通用计算来说,要做zkEVM主要需要解决两个难点:

a)电路复杂

不同的合约需要生成不同的电路,而且这些电路很「复杂」。

这方面主要就要靠各种优化了,比如Aleo(不过它不是directZK这一类。。。只是为了举例说明优化)通过分布式Cluster来并发计算Proof,或者通过各种硬件上的优化来加速。

b)设计困难

zkEVM不止要对EVM进行重构,对以太坊的整体状态转换都要用零知识证明技术进行重构。

EVM设计的时候就没想到后面要做zkEVM,造成了非常大的困难。导致了有两个门派的路线,都在图里了。

或者说按VM的架构来分,就长这样(超级感谢ScrollTech的原图总结!)。Opcode指的是EVMOpcode。其中StarkWare部分是用Warp来将Solidity转成Cairo合约,或者直接用Cairo写合约,一样能获得不错的开发体验和全套工具。

在开发者和用户层面,这几个方案其实我认为是基本无差别的,但是在基础设施上,越靠右的方案EVM兼容性越好,可以无缝接入Geth等基础设施,但开发进度基本上也越慢。

zkEVM和zkVM

zkEVM的存在我认为是在以太坊生态上去翻新和打补丁,能为以太坊及其生态的繁荣添砖加瓦,而zkVM的存在却不一定是给以太坊做加强,同时也具有更大的想象力。

StarkNet的CairoVM尽管可能不是我想象中最完美的zkVM,但它能比EVM或者zkEVM干更多的事,同时这些不止是停留在EIP级别的功能拓展。CairoVM上可以跑机器学习模型,甚至现在还有机器学习模型平台正在StarkNet上建设。

相比zkEVM,一个zkVM会更加容易被构建(无需担心EVM的技术债),更加灵活(无需担心EVM的更新),更加容易优化(电路和证明器的软硬件优化比构建zkEVM简单和便宜非常多)。

当然zkVM的一个最微小但很致命的缺点就是,如果zkVM无法支持EVM兼容(Solidity语言层面),那么zkVM就很难像EVM一样有最完备和成熟的Web3开发生态。

zkVM或许是更大的趋势,能让对EVM的纵向优化,变成EVM生态的横向拓展,跳出了EVM的限制。

zkVM的未来

如果能有一种通用的zkVM能够让所有编程语言的智能合约,不止是Solidity,不止是Cairo,而是Rust、C++、Go,在零知识证明的加持下安全运行呢?(Stellar尝试过,但失败了。)

正如@kelvinfichter所说的:WhyzkEVMifzkMIPS?正如@KyleSamani所说的:EVMisabugnotafeature。WhyzkEVMifzkVM?

Winterfall或者Distaff或者MidenVM等zkVM都没有做到非常好的开发友好度。Nervos有RISC-V的VM,但是Nervos没有用零知识证明技术。

现状下最优解的方案就是构建一个WASM或者RISC-V的zkVM,最好能支持Rust、Go、C++,甚至Solidity(zkSync好像可以立大功)等语言。如果有这么一个通用zkVM,那么对于zkEVM会是降维打击。

Web3开发者的数量大概占所有开发者的0.07%,也就可以推断出,Solidity开发者的数量实际上会比0.07%更少,会用Cairo写合约或者用Leo写电路就更少了。这样完美的zkVM所针对的是几乎100%的开发者,任何开发者用几乎任何语言都可以得到一个完美的零知识运行环境。

如果Web3和Crypto有统治世界的一天,我认为绝对不会是EVM生态占据100%的所有开发者,而是所有的开发者会慢慢转化为Web3和Crypto开发者。这就是通用的zkVM的绝妙之处。

原生zkEVM是区块链的未来。

通用zkVM是Web3的未来。

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