Sin7Y 团队全面分析：现阶段 zkEVM 设计方案对比

自从以太坊 ZK-Rollups 技术大爆发以来，各种 ZKR Layer2 方案百花齐放，有 Order-list 的去中心化交易所 Loopring，有 AMM 的去中心化交易所 ZKSwap，有支持隐私的 zk.menoy 等等。这些 ZK-Rollups 方案丰富了以太坊 Layer2 生态，安全性由 Layer1 来保证，可以称之为“最”安全的以太坊扩展方案。
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但是这些方案也只能支持特定应用的场景，不能支持通用的合约开发，究其原因，是因为 ZKP 的通用电路本身就非常复杂，且受限于以太坊 Gas/ 数据等的限制，设计和实现非常复杂，可以说 zkEVM 是以太坊扩容方案这颗皇冠上的明珠。目前有多个团队在进行 zkEVM 的研究，我们本篇来看看这些 zkEVM 设计方案。

zkEVM 的基本流程：

• 交易 tx 先在 EVM 执行器执行（执行需要交易相关的 pre_state + tx 等），得到 post_state
• pre_state、tx、post_state 输入到 zkEVM，执行后得到 proof
• Proof 和 Public Input （关键数据）上传到 L1 合约进行验证

本文要说的重点 zkEVM，按照 zk 证明的对象，大体分为两类：

• 对原生 EVM 的证明，包含对原生 Opcode 的 zk 实现。这类方案的研究团队有 AppliedZKP、Sin7Y 等。
• 对自定义 EVM 的证明，包含对自定义操作码的 zk 实现。这类方案的研究团队有 Hermez、Matter Labs 等。

zkEVM 现状

zkEVM	技术团队	进度	open source
AppliedZKP zkEVM	以太坊基金会下的 AppliedZKP	设计方案初步形成，有部分测试代码。未说明何时上主网。	设计文档和测试代码开源
Matter Labs zkEVM	Matter Labs	官方称除开几个 Opcode 和 Pre-compiled 合约未实现，已上测试网，Q4 上主网，但测试网未放开。	Compiler-yul 开源，其它未开源
Hermez zkEVM	Hermez 团队，被 Polygon 收购合并	基本设计方案形成，2022 年 Q2 上主网。	未开源
Sin7Y zkEVM	Sin7Y	基本设计方案形成，需要继续细化方案细节。	未开源

zkEVM 方案概览

zkEVM	EVM 支持	合约代码解释路径	通用电路实现	密码工具
AppliedZKP zkEVM	对 EVM 原生的 opcode 逐个做 zk 实现	Solidity/Vyper -> zkEVM	Custom Constraint	Halo2+KZG10+BN256
Matter Labs zkEVM	自定义 EVM，中间实现解释器，将合约代码编译为 YUL，再将 YUL 编译为 zkEVM 支持的自定义字节码	Solidity/Vyper -> YUL -> LLVM -> zkEVM	TinyRAM	utralPLONK
Hermez zkEVM	自定义 EVM，中间实现 uVM，将合约代码编译为 uVM 支持的微指令集	Solidity/Vyper -> micro Op -> uVM	*	PLONK+KZG+Groth16
Sin7Y zkEVM	对 EVM 原生的 opcode 逐个做 zk 实现，增加 specialized opcode 优化实现	Solidity/Vyper -> zkEVM	custom gate/TinyRAM	halo2+KZG10+RecursivePLONK

EVM 基本模型

在开始介绍各方案的 zkEVM 之前，有必要讲讲 EVM 的基本模型，主要是操作和状态的关系，如下图：

图片来自 [Ethereum EVM illustrated]

EVM 的 opcode 在执行中，需要和 Stack、Memory、Storage 进行交互，还需要一些 Context 来进行上下文环境的记录，如 Gas/Program Counter 等。其中：Stack 只用于栈式访问，Memory 可以随机访问，Storage 也可以随机访问。这些 Opcode 的定义可参见 EVM opcode 网站 。

AppliedZKP zkEVM

AppliedZKP 将 Proof 分为两种：

1. State Proof ：用于检查 Stack/Memory/Storage 中的状态转换的正确性。
2. EVM Proof ：用于检查正确的 opcode 在正确的时间被调用，检查 Opcode 本身的正确性，检查 Opcode 的有效性，还需对 Opcode 执行过程中可能遇到的所有异常情况（比如 out_of_gas）进行检查。

这两个 Proof 前者检查状态，后者检查操作，还需要 Bus Mapping 将两个 Proof 连接起来，这个 Bus Mapping 不使用 Merkle 树，而是使用 Plookup k-v Mapping。

zkEVM 架构如下：

EVM proof 则使用 Slot 的方式，将 Opcode，Opcode 的操作值，Context 分开，如下图，一个 Circuit 由多个 Slot 构成，q_op 是 Selector，o_n 是 Opcode 的值，c_n 是 Context，v_n 是操作的值。

图片来自 [ZKEVM EVM Circuit Explore]

Matter Labs zkEVM

Matter Labs 的 zkEVM 设计方案又是另外一种，它将 Solidity 和 vyper 语言编写的合约代码，编译成 Yul，再通过 LLVM 将 Yul 代码翻译成 zkEVM 支持的字节码。

图片来自 ['zkEVM' - Alex Gluchowski at ETHGlobal]

前段时间 Matter Labs 开源了其 Yul 编译器，可以将中间码 YUL 编译为自定义语法的字节码，而字节码可以运行在 zkEVM 中，源码见 此处 。

图片来自 ['zkEVM' - Alex Gluchowski at ETHGlobal]

Matter Labs 的电路实现，是使用 TinyRAM 来实现普通 Opcode，如 ADD，PUSH 等；对 Gas 消耗巨大的 Opcode，比如 SHA256/keccak，特殊实现该电路；最后使用递归聚合技术，将所有的 Proof 聚合成一个 Proof。

Hermez zkEVM

Hermez 的 zkEVM 方案同样令人耳目一新，他们设计了 uVM 架构，类似 Intel X86 架构，分 ROM/RAM 等模块，通过主状态机（Main State Machine）来同步模块之间的状态。uVM 架构使用 Register 而不是 Stack，这样完成同样的工作，基于 Register 的 VM 所使用的指令数比基于堆栈的 VM 所使用的指令数少，可以提高执行效率。再者，uVM 使用了大量的密码学工具，来实现 zk 完备。

图片来自 [Hermez zkEVM 介绍]

Hermez 最创新的设计是将 EVM 指令集翻译为中间指令（Micro Opcode），中间指令可以在 uVM 中执行。并且使用了大量的 Plookup 算法来提升证明及验证效率。

图片来自 [Hermez zkEVM 介绍]

图片来自 [Hermez zkEVM 介绍]

Sin7Y zkEVM

我们的 zkEVM 借鉴了上面三个的设计，将状态验证和执行验证分开，分为 State Proof 和 EVM Proof。

其中：

state proof ：

• Stack Proof：验证 pop、push 等栈操作
• Memory Proof：验证 mload、mstore 等内存操作
• Storage Proof：sload、sstore 等 Storage 操作

EVM Proof ：

使用 Slot 的方式，暂定用 Custom gate 的方式，将 EVM 的 Opcode 实现：

一个 Slot 实现了所有的 Opcode，能够表达任意的 Opcode。在合约中，会有多个 Opcode，这时可以使用 Selector 来选择激活哪个 Opcode。最终的合约电路将会包含多行 Slot，全面支持 EVM Opcode。

当然，在实际的方案设计和工程实现过程中，仍然面临许多待确定和解决的 问题 ，如：

1. EVM 到底是 Native 的好，还是 Customized 的好？

2. 对于 Arithmetic ops，是单独设计 Lookup Table 还是设计公用的 Lookup Table?

3. 如何约束 Variable 的 OP?

4. 多少个 Custom Circuit 合适？数量太多则必须得用 Recursive Aggreative，这样会大大增加电路设计复杂度。

5. 是否考虑用 Register 代替 Stack 来缩减电路规模，提升 zkEVM 执行效率？

6. 考虑到 zkEVM 正式上线的时间，是否直接用 BLS12-381 曲线 ?

7. Custom Slot 要处理所有的 Arithmetic OPS 的计算，包含正确计算和错误计算，op type 是由 Selector 指定，那么正确 or 错误的结果该如何指定？

8. Tinyram 是否真的能优化 Arithmetic ops?

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诸如以上的问题，如果我们寻找到了答案，会在后续的文章中详细展示出我们的解决方案，请持续关注我们的 官推 以及其他官方账号。也欢迎各位读者参与研究讨论。

引用

Ethereum EVM illustrated

ZKEVM EVM Circuit Explore

'zkEVM' - Alex Gluchowski at ETHGlobal

Compiler-yul

Introducing Hermez zkEVM