zkEVM – Hermez 设计思路
了解 Layer2 技术现状(特别是对 zk Rollup 技术)的小伙伴,知道 zk Rollup 目前不支持 EVM,缺失可编程性 / 可组合性,让 zk Rollup 限制在特定场景。zkEVM,通过 zkp 技术证明 EVM 的执行过程是非常有挑战的技术难点。
EthCC 4 会议上 Hermez 团队 介绍 了他们对 zkEVM 的理解和设计:
https://www.youtube.com/watch?v=17d5DG6L2nw
Hermez 团队负责人 Jordi Baylina 比较清晰地给出了 zkEVM 大体的设计思路。本文梳理一下对 zkEVM 设计的理解。抛砖引玉,有理解偏差,小伙伴们可以留言讨论。
虚拟机证明
Jordi 在演讲开头提出:The Ethereum Virtual Machine was not designed to run in a zk-circuit (以太坊虚拟机在设计时并没有考虑 zk 电路证明)。也就是说,zkEVM 天生比较难。当初设计 EVM 的时候并没有考虑到后期还需要 zk 进行证明。在这种情况下,目前有三条路可以走:
第一条:从头设计一种新的虚拟机,该虚拟机对 zk 友好,方便证明。不需要理会 EVM。
第二条:从头设计一种新的虚拟机,该虚拟机对 zk 友好,方便证明。适配当前的 EVM 的开发工具,保持 solidity 兼容。
第三条:直接支持 EVM 指令集,完全兼容 solidity 指令集。
Hermez 团队选择了第三条。其他两种做法在当前的环境下,不太经济。Hermez 给出了选择第三条路的理由:
总的来说,就是兼容性好,安全性高。
总体思路
因为 EVM 在设计当初没有考虑 zk 电路证明,支持 solidity 指令集需要引入中间指令(micro opcode)。这些中间指令比较适合电路证明。这些指令构成 uVM。EVM 需要编译在 uVM 中执行。
众所周知,EVM 有一些变长的指令,比如 CALL,DATACOPY,EXP,CREATE 等等。这些指令天生对电路证明不友好。利用中间指令能相对友好地“表达”出这些指令的逻辑。
对于一个区块中的所有交易,相关的指令可以一个个的执行。执行的模型是:老的状态 + 所有交易指令 -> 新的状态。一个细节是状态的迁移是以区块为单位,并不是以交易为单位的。
多项式承诺
在继续解释细节实现之前,Jordi 简单介绍了一下多项式承诺。多项式有两种表示方式:1/ 系数表示 2/ 点值表示。
在给定一个多项式承诺(cm)的情况下,验证者可以提供随机挑战 r,证明者必须给出多项式在 r 的取值以及承诺证明。随机挑战值 r,可以通过 Fiat-Shamir 算法产生,将交互式的协议变成非交互式协议。在给出多个多项式承诺证明的前提下,通过取值的关系可以确定多项式之间的关系。通过多项式承诺可以证明如下的多项式关系:
多项式相等,多项式取值等等。熟悉 Plonk 或者 Plookup 协议的小伙伴应该知道,这些协议的基础就是多项式承诺。
uVM 的整体框架
uVM 由如下的模块组成:ROM,RAM,Storage 以及各种计算功能模块。Main SM (主状态机)由子模块组成。
需要证明程序的执行状态正确,要保证如下的一些状态正确:
如何证明执行程序正确?
执行程序存储在 ROM 中。将指令和位置进行编码后,得到执行程序的多项式表示 rom (x)。将 Main SM 中的代码执行指令和 PC 进行同样的编码后形成的多项式 instTrace(x)。无论这份代码如何执行(循环的次数,跳转方式),instTrace(x) 中的元素都应该属于 rom(x)。这种从属关系可以采用 Plookup 协议进行证明。
注意的是,instTrace 指的是执行实例的 Trace。虽然,通过 Plookup 能证明 instTrace(x) 中的元素属于 rom(x),但是 instTrace(x) 的执行正确性并没有证明。试想一下 instTrace 中少一两条指令,同样满足从属关系。简单的说,这种从属证明只是证明了 Main SM 和 ROM 状态的一致性。
内存状态正确?
在 Main SM 中的内存的读写情况,应该和内存 RAM 的状态一致。这种一致也是通过 Plookup 协议进行证明。
内存 RAM 本身逻辑是否正确需要额外证明。
存储状态正确?
uVM 的存储是通过 key-value 对实现。所有存储(key-value 对)用 merkle 树进行组织。所以,存储模块包括 merkle 树和 hash 计算。Plookup 协议可以证明多个模块之间的一致性。
整体证明构成
一个程序的执行状态的正确性分割成多个子模块的状态正确性验证。总之,证明包括两部分:1/ 单个模块的逻辑正确 2/ 模块和模块之间的一致性。
证明大量采用多项式承诺。验证这些多项式承诺需要不小的开销。Jordi 提出了多种验证思路:
第一种:多个 Kate 多项式承诺在链上验证。
第二种:多个 Kate 多项式承诺通过 Plonk 电路验证(配对还是在链上验证)。
第三种:多个 Stark 多项式承诺通过 Plonk 或者 Groth16 电路进行验证。
总结
EVM 在设计时并没有考虑到 zk 电路证明。Hermez 提出了 uVM 框架和指令集。作为中间指令集,方便 zk 电路证明,同时可以实现 solidity 指令集。一个程序的执行正确性分割成多个子模块状态的正确性。证明包括单个模块状态的正确性以及模块和模块之间的一致性。为了减少众多的证明单独在链上验证,可以采用电路验证。
比推快讯
更多 >>- 彭博社:加密行业已为2024年美国大选捐款9400万美元,创历史最高纪录
- Ripple Q1 XRP市场报告:链上交易量增长 108%,每笔交易的平均成本下降 45%
- IntoTheBlock:持有超1000枚BTC的地址余额已接近FTX破产前水平
- NFT借贷平台Blend总交易额超60亿美元
- Anchorage Digital向Cumberland DRW转移1000万枚ARB
- Tether CEO:Tether或投入大量资源建立基于Holepunch技术的P2P金融市场终端
- 区块链游戏 4 月份融资额达到 9.9 亿美元,创2021年1月以来新高
- Core基金会推出500万美元基金,以支持创新区块链项目
- Genesis获批以现金和加密货币的形式向客户偿还30亿美元
- 彭博社:多个基金公司预计下周SEC不会批准以太坊现货ETF
- Vitalik Buterin:区块链社区扩展应着眼于更广泛的外部领域
- Syncracy Capital 联创:SOL 到月底可能会达到 200 美元
- 分析师:FET代币可能会突破 4 美元
- 截至第一季度末,Point72持有价值7750万美元的富达现货比特币ETF
- 分析师:5 月份现货比特币 ETF 的资金流入已弥补 4 月份净流出
- Coinbase:宏观环境仍然是加密货币表现的关键驱动因素
- 美国9只现货比特币ETF 今日净增持3,743枚BTC,约合2.51亿美元
- 经 FBI 调查,加密名人 Thomas Sfraga 承认电汇欺诈罪
- 美联储理事Bowman:若通胀停滞或反弹,愿意支持美联储重启加息
- Kraken正在权衡是否在欧盟新规下取消对USDT的支持
- 以太坊二层网络ZkSync暗示将于6月底进行空投
- Web3 focus应用程序Focus Tree完成200万美元种子轮融资,Sfermion 领投
- Coinbase 将在 Solana 网络上添加对Drift Protocol(DRIFT)的支持
- Vitalik Buterin:近期和中期将着重提升以太坊网络的无许可性和去中心化特性
- Blast创始人:推迟空投计划只是因为需要更多时间进行开发
- ETH突破3100美元,日内涨幅达到5.17%
- 比特币突破67000美元,日内涨2.76%
- 美SEC 政策总监 Heather Slavkin Corzo 离职, Corey Klemmer 接任
比推专栏
更多 >>观点
项目
比推热门文章
- 彭博社:加密行业已为2024年美国大选捐款9400万美元,创历史最高纪录
- Ripple Q1 XRP市场报告:链上交易量增长 108%,每笔交易的平均成本下降 45%
- IntoTheBlock:持有超1000枚BTC的地址余额已接近FTX破产前水平
- NFT借贷平台Blend总交易额超60亿美元
- Anchorage Digital向Cumberland DRW转移1000万枚ARB
- 【比推一周Web3新闻精选】Millennium Management、Apollo等多家机构Q1持有超 26 亿美元的现货比特币 ETF;鲍威尔重申可能在更长时间内将利率维持在高位;芝商所CME计划推出比特币现货交易
- Tether CEO:Tether或投入大量资源建立基于Holepunch技术的P2P金融市场终端
- 区块链游戏 4 月份融资额达到 9.9 亿美元,创2021年1月以来新高
- Vitalik:改善以太坊网络的无许可和去中心化的近期和中期未来
- 吴说周精选:美国CPI回落、 养老金购买比特币ETF、Lido和Paradigm推EigenLayer竞品与新闻 Top10