ROLL:zkEVM设计优化和应用

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时间：1900/1/1 0:00:00

在最新的 ZKP Mooc 课程中，Scroll 的联合创始人张烨发表了关于 zkEVM 设计，优化和应用的演讲。Scroll 在构建以太坊等效的ZK-Rollup，在字节码级别的兼容，直接支持所有现有的工具。

原文：Ye Zhang

编译：F.F

以下是视频的听录文字版本

演讲分成四个部分，第一部分张烨介绍了开发背景以及我们为什么首先需要zkEVM以及为什么它在最近两年间变得如此受欢迎，第二部分通过一个完整的流程，讲解如何从头开始构建zkEVM包括算术化和证明系统，第三部分通过一些有趣的研究问题来谈论了Scroll 在构建 zkEVM时遇到的问题，最后介绍了一些其他使用zkEVM的应用。

背景和动机

传统的Layer 1 区块链会有一些节点通过P2P网络共同维护。他们在收到用户的交易时，会在EVM的虚拟机内执行，读取调用合约和存储，并依照交易更新全局的状态树。

这样的架构的优势在于去中心化和安全性，缺陷就是在L1上的交易手续费昂贵，并且交易确认缓慢。

ZK-Rollup的架构中，L2 网络只需将数据和验证数据正确性的证明上传至 L1，其中证明通过零知识证明电路计算而来。

在早期的ZK-Rollup中，电路是针对特定应用而设计，用户需要将交易发送给不同的证明者，然后不同应用的ZK-Rollup再将自己的数据和证明提交至L1。这样带来的问题是，丧失了原先 L1 合约的可组合性。

Scroll 所要做的是原生的zkEVM方案，是一种通用型的ZK-Rollup。这样不仅对用户而言更友好，对于开发者而言也可以获得在L1上的开发体验。当然这背后的开发难度非常之大，并且现在的证明生成的代价也非常高。

幸运的是，零知识证明的效率在过去两年里已经大幅提高了，这也是为什么在最近两年zkEVM变得如此受欢迎。至少有四个原因让它变得可行，第一是多项式承诺的出现，在原先Groth16证明系统下，约束的规模非常之庞大，而多项式承诺可以支持更高阶的约束，缩小证明规模；第二是查找表和自定义门的出现，可以支持更灵活的设计，使证明更加高效；第三是硬件加速方面的突破，通过GPU，FPGA和ASIC可以将证明时间缩短1-2个数量级，第四是在递归证明下，可以将多个证明压缩成一个证明，使得证明变得更小更易于验证。所以结合这四个因素，零知识证明的生成效率要比两年前高出三个数量级，这也是 Scoll 的起源。

Sui生态游戏Abyss World将扩展至Polygon zkEVM:6月29日消息，Sui生态RPG开放世界游戏Abyss World宣布将基于Polygon zkEVM来打造其游戏，并将与Polygon Gaming合作提升基于区块链的游戏。[2023/6/29 22:08:16]

根据Justin Drake的定义，zkEVM可以分为三类，第一类是语言级别的兼容，主要原因是EVM不是为ZK而设计，有很多对ZK不友好的操作码，因此会造成大量的额外开销。因此像Starkware和zkSync选择在语言层面将Solidity或者Yul编译到ZK友好的编译器中。

第二类是 Scroll 在做的字节码层面的兼容，是直接证明EVM的字节码处理正确与否，直接继承了以太坊的执行环境。在这里可做的一些取舍是，使用和EVM不一样的状态根，例如使用ZK友好的数据结构。Hermez 和 Consensys 也在做类似的事情。

第三类是共识层面的兼容，这里的取舍在于不仅需要保持 EVM 不变，还包括储存结构等实现以太坊完全兼容，代价是需要更长的证明时间。而Scroll 正在和以太坊基金会的 PSE 团队合作构建，来实现以太坊的ZK化

从 0 到 1 构建 zkEVM

第二部分，张烨向大家展示了如何从零开始建立ZKVM。

完整流程

首先，在ZKP的前端部分，你需要通过数学的算术化来表示你的计算，最常用的就是线性的R1CS，以及Plonkish 和 AIR。通过算术化得到约束后，在ZKP的后端你需要运行证明算法，来证明计算正确性，这里列举了最常用的多项式交互式谕示证明 (Polynomial IOP) 和多项式承诺方案 (PCS)。

在这里我们需要证明 zkEVM，Scroll 使用的是Plonkish，Plonk IOP，以及KZG的组合。

为了理解我们为什么使用这三者的方案。我们首先从最简单的 R1CS 开始，R1CS中的约束，是线性组合乘以线性组合等于线性结合。你可以加上任何变量的线性组合而没有额外的开销，但是在每个约束中阶数最大是2。因此对于阶数较高的运算，需要的约束就越多。

Polygon zkEVM已修复阻碍L1资产桥接至L2的漏洞，没有资金面临风险:5月29日消息，Scroll 区块链安全研究员 iczc 发推称，在 Polygon zkEVM 中发现一个漏洞，并获得来自 Web3 漏洞赏金平台 Immunefi L2 漏洞赏金。该漏洞导致从 L1 桥接至 Polygon zkEVM（L2）的资产无法在 L2 中正确认领，从而阻碍了 L1 至 L2 的资产迁移。

iczc 在处理认领交易（claim tx）预执行结果的代码逻辑中发现，恶意攻击者可以通过将 Gas 费设置为非零来绕过对认领交易的「isReverted」预执行检查，使其可以通过发送大量低成本的 claim 对定序器和验证器进行 DoS 攻击，从而增加计算开销。此外，交易不会在执行后立即从池中删除。状态从「待定」更新为「选定」，并继续存在于 PostgreSQL 数据库中。目前，只有一个可信的定序器能够从交易池中获取交易并执行它们。因此，另一个漏洞是通过发送一个失败的交易来恶意标记任何存款数。这将导致正确使用存款数的认领交易被拒绝，因为存款数已经被使用。这使得新用户无法使用 L2 网络。Polygon zkEVM 团队通过删除认领交易的特定 gas 逻辑，修复了这一漏洞，没有资金面临风险。[2023/5/29 9:48:40]

而在 Plonkish 中，你需要将所有的变量填入表格，包括输入，输出以及中间变量的见证。在此之上，你可以定义不同的约束。在 Plonkish 中有三种类型的约束可以使用。

第一种约束是自定义门（Custom Gate），你可以定义不同单元格之间的多项式约束关系，例如 va3 * vb3 * vc3 - vb4 =0。相比R1CS来说，阶数可以更高，因为你可以定义任何一个变量的约束，并且可以定义一些非常不一样的约束。

第二种约束是 Permuation，即等价性校验 (equality checks)。可以用来检查不同单元格的等价性，常用于关联电路中的不同门，比如证明上一个门的输出等于下一个门的输入。

最后一种约束是查找表 (Lookup Table)。我们可以将查找表理解成变量之间存在一个关系，该关系可以表示成一个表。例如我们想要证明 vc7 在 0-15 范围内，在R1CS中你首先需要把这个数值分解为4位二进制，然后证明每位在0-1的范围内，这将需要四个约束。而在 Plonkish中，你可以将所有可能的范围列在同一列，只需要证明vc7属于该列即可，这对范围证明非常高效，在zkEVM中，查找表对于证明内存读写非常有用。

ConsenSys zkEVM 测试网已面向外部用户注册:1月10日消息，ConsenSys官方表示，新的EVM等效ConsenSys zk EVM私人Beta测试网现已于去年年底在Infura上面向选定用户开放，未来几周将面向更多用户。目前注册申请系统已经开放。

ConsenSys此前表示，其zkEVM可实现EVM等效性，享受以太坊的安全性以及zkEVM的可扩展性和低费用有所。ConsenSys将从2023年1月份开始将逐步开放许可名单允许外部用户注册。[2023/1/10 11:03:43]

小结一下，Plonkish 同时支持自定义门，等价性校验和查找表，可以非常灵活的满足不同的电路需要。简单对比下STARK，STARK中每一行是一个约束，约束需要表示行与行之间的状态转换，但 Plonkish 中的自定义约束灵活性显然更高。

现在的问题是在zkEVM中，我们如何选择前端。对于zkEVM主要有四个挑战。第一个挑战是EVM的字段是256位，这意味着需要高效得对变量进行范围约束；第二个挑战是EVM有很多ZK不友好的操作码，因此需要非常大规模的约束来证明这些操作码，例如Keccak-256；第三个挑战是内存读写问题，你需要一些有效的映射来证明你所读取的和之前所写入的是一致的；第四个挑战是EVM的执行踪迹是动态变化的，因此我们需要自定义门来适配不同的执行踪迹。出于上述的考虑，我们选择了 Plonkish。

接下来，我们看zkEVM的完整流程，基于初始的全局状态树，一笔新的交易进来后，EVM会读取存储和调用的合约的字节码，根据交易生成相应的执行踪迹例如PUSH, PUSH, STORE, CALLVALUE，然后逐步执行更新全局状态，得到交易后的全局状态树。而zkEVM是将初始的全局状态树，交易本身，以及交易后的全局状态树作为输入，根据EVM的规范，来证明执行踪迹的执行正确性。

深入EVM电路细节，每一步执行踪迹都有对应的电路约束。具体来说，每一步的电路约束包含 Step Context，Case Switch，Opcode Specific Witness。Step Context 包含执行踪迹对应的codehash，剩余gas和计数器；Case Switch 包含所有的操作码，所有的错误情况，以及该步的相应操作；Opcode Specific Witness 包含了操作码所需的额外见证，例如运算数等。

Polygon将于7月21日推出zkEVM，可提供“EVM等效”解决方案:7月18日消息，Polygon将于7月21日推出zkEVM，可为开发人员和用户提供“EVM等效”解决方案、高性能zk证明机制（zk-proofs）与以太坊主网级别的安全性。此前报道，Polygon DeFi负责人表示Polygon Hermez即将推出zkEVM。[2022/7/18 2:20:06]

以简单的加法为例，需要确保加法的操作码的控制变量sADD设置为1，其他操作码控制变量均为零。在 Step Context 中，通过设置 gas' - gas - 3 = 0 来约束消耗的 gas 等于 3，同理约束计数器，栈指针在该步后累加1；在 Case Switch 中，通过操作码控制变量和为1来约束该步为加法操作；在 Opcode Specific Witness 中，对运算数的实际加法进行约束。

此外还需要额外的电路约束，来保证运算数从内存读取的正确性。这里我们首先需要构建一个查找表来证明运算数属于内存。并通过内存电路(RAM Circuit)来验证内存表的正确性。

同样的方法可以适用于zk不友好的哈希函数，构建哈希函数的查找表，将执行踪迹中的哈希输入和输出映射到查找表，利用额外的哈希电路 (Hash Circuit) 来验证哈希查找表的正确性。

现在我们来看zkEVM的电路架构，核心的EVM电路用于约束执行踪迹每一步的正确性，在一些EVM电路约束难度较大的地方，我们通过查找表来映射，包括Fixed Table, Keccak Table, RAM Table, Bytecode, Transaction, Block Context，然后利用单独的电路来约束这些查找表，例如 Keccak 电路用于约束 Keccak 表。

小结一下，zkEVM的完整工作流如下图所示。

证明系统

因为在L1上直接验证上述的EVM电路，内存电路，存储电路等，开销巨大，Scroll 的证明系统采用了两层架构。

以太坊基金会资助筹建zkEVM团队:以太坊基金会在定期公布其支持的团队研究与开发进度的文章中表示，过去几个月的时间已经组建了一个名为zkEVM的团队，希望能将EVM （以太坊虚拟机）的所有操作码直接通过ZK （零知识证明）电路实现，以实现以太坊的智能合约可以以最少的调整部署至二层网络，比如zkSync。zkEVM团队表示，目前处于早期阶段，正在设计和构建第一个原型。[2021/8/13 1:53:34]

第一层负责直接证明EVM本身，需要大量的计算来生成证明。因此第一层证明系统要求支持自定义门和查找表，对硬件加速友好，在低峰值内存下并行生成计算，且验证电路规模小，可以快速验证。有前景的可选方案包括Plonky2，Starky，eSTARK，它们前端基本上都使用 Plonk，但后端可能使用了FRI，并且都满足上述的四个特性。另一类可选的方案包括Zcash所开发的Halo2，以及KZG版本的Halo2。

还有一些新的证明系统也有很有前景，例如最近移除了 FFT 的 HyperPlonk，而NOVA证明系统可以做到更小的递归证明。但它们在研究中只支持R1CS，如果他们未来可以支持 Plonkish 并且应用于实践，将非常实用高效。

第二层证明系统用于证明第一层证明的正确性，需要可以在EVM中高效进行验证，理想情况下，最好也是硬件加速友好并且支持transparent或者universal setup。有前景的可选方案包括Groth16和列数较少的Plonkish证明系统。Groth16仍然是目前研究中证明效率极高的代表，而Plonkish证明系统在列数较少的情况下，也可以达到较高的证明效率。

在Scroll，我们在两层证明系统中我们都采用了Halo2-KZG证明系统。因为Halo2-KZG可以支持自定义门和查找表，在GPU硬件加速下性能良好，且验证电路规模小，可以快速验证。区别在于我们在第一层证明系统中我们使用了Poseidon哈希，进一步提高证明效率，而第二层证明系统因为直接在以太坊上验证，仍然使用了 Keccak 哈希。Scroll 也在探索多层证明系统的可能性，来进一步聚合第二层证明系统生成的聚合证明。

当前实现下，Scroll 的第一层证明系统EVM电路有 116 列，2496 个自定义门，50 个查找表，最高阶数为9，1M Gas下需要2^18行；而第二层证明系统的聚合电路仅有 23 列，1个自定义门，7 个查找表，最高阶数为 5 ，为了聚合EVM电路，内存电路，存储电路，需要2^25行。

Scroll 在 GPU 硬件加速方面也做了非常多的研究和优化工作，对于EVM电路，优化后的GPU证明者仅需30s，相较CPU证明者提升了9倍的效率；而对于聚合电路，优化后的GPU证明者仅需149s，相较CPU提升了15倍的效率。在当前的优化条件下， 1M Gas 第一层证明系统大约需要 2 分钟，第二层证明系统大约需要 3 分钟。

有趣的研究问题

第三部分，张烨谈论了一些Scroll 在构建 zkEVM 过程中有趣的研究问题，从前端的算术化电路到证明者的实现。

电路

首先是电路中的随机性，因为 EVM 字段是256位，我们需要将其拆分成 32 个 8 位的字段，从而更高效得进行范围证明。随后我们使用随机线性组合(Random Linear Combination, RLC)的方法，利用随机数将32个字段编码成1个，只需要验证该字段就可以验证原始的256位字段。但是问题在于随机数的生成需要在拆分字段之后，才能确保不被篡改。因此 Scroll 和 PSE 团队提出了多阶段证明者的方案，来确保在字段拆分之后，再利用随机数生成RLC，该方案被封装在了 Challenge API 中。RLC在zkEVM中有许多应用场景，不仅可以压缩EVM字段成一个字段，也可以加密不定长的输入，或是优化查找表的布局，但仍然有许多开放性的问题需要解决。

电路方面第二个有趣的研究问题是电路布局。Scroll 前端之所以采用 Plonkish，是因为EVM的执行踪迹是动态变化的，需要能支持不同的约束，变化的等价性检验，而R1CS的标准化门需要更大的电路规模来实现。但Scroll 目前使用了 2000 多个自定义门来满足动态变化的执行踪迹，也在探索如何进一步优化电路布局，包括将 Opcode 拆分成 Micro Opcode，或是复用相同表格内的单元格。

电路方面第三个有趣的研究问题是动态规模。因为不同的操作码的电路规模不同，但为了满足动态变化的执行踪迹，每一步的操作码都需要满足最大的电路规模，例如Keccak哈希，因此我们实际上付出了额外的开销。假设我们可以使zkEVM动态适应动态变化的执行踪迹，这将节省不必要的开销。

证明者

在证明者方面，Scroll 在 GPU 加速上已经对MSM和NTT进行了大量的优化，但现在的瓶颈转移到了见证生成和复制数据这块。因为假设MSM和NTT占据了80%的证明时间，即使硬件加速可以将这部分效率提升若干个数量级，但原先见证生成和复制数据20%的证明时间将变成新的瓶颈所在。证明者的另一个问题是需要大量的内存，因此也需要探索更便宜更去中心化的硬件方案。

同时Scroll 也在探索硬件加速和证明算法方面，来提升证明者的效率。目前主要有两个大方向，或是切换至更小的域，例如使用64位的Goldilocks域，32位的梅森数（Mersenne Prime）等，或是坚持基于椭圆曲线（EC）的新证明系统，例如SuperNova。当然也有其他的一些别的可能路径，欢迎有想法的朋友直接联系Scroll。

安全性

在构建zkEVM时，安全性是至关重要的。PSE 和 Scroll 共同构建的zkEVM有大约3万4千行代码，从软件工程角度，这些复杂的代码库在很长一段时间内是不可能没有漏洞的。Scroll 目前在通过大量的审计，包括业内最顶尖的审计公司，来审核 zkEVM 的代码库。

其他使用zkEVM的应用

第四部分探讨了其他一些使用了zkEVM的应用。

在zkRollup的架构中，我们通过在L1的智能合约，来验证在 L2 上的n笔交易是有效的。

如果我们直接验证L1的区块，那么L1的节点就不需要重复执行交易，只需要验证每一个区块证明的有效性。这样的架构方案称为 Enshrine Blockchain。目前在以太坊上直接实现难度非常之大，因为需要验证整个以太坊区块，其中会包括验证大量签名，随之带来更长的证明时间和更低的安全性。当然也已经有一些其他公链在通过递归证明，使用单个证明，来验证整个区块链，例如Mina。