COD:Cipholio 深度分析：漫谈ZKVM的方案及未来_Concretecodes

TL;DR

1、ZK的技术具有隐私和扩容两个最主要的使用场景，当我们讨论隐私的时候，我们利用ZK技术保护链下数据，不被获取；而当我们讨论扩容的时候，我们则是利用ZK节省链上计算空间。举个例子，如果我要确认某个账户有100块钱，传统区块链的方式是让每个节点都确认一遍，而现在我只需要一个节点，在保证数据完整性的前提下，找到最近净流入100块的凭证，即可证明账户有100元，区别就是前者需要大量计算和证明，后者只需要链下证明。

2、ZKVM发展的核心权衡在于是发挥ZK潜力重要，还是发挥目前开发者资源重要。围绕着发挥ZK潜力，意味着CPU寄存器的硬件加速，IR语言和assembly语言的再组织；而围绕着利用开发者资源，则意味着Solidity转化bytecode后，如何将Bytecode所映射的opcode，进行ZK证明的问题。

3、按照模块化区块链的观点，L1解决共识问题，L2解决计算和执行问题，DA层解决数据可得性和完整性的问题。由于Zk类的L2其证明。

4、以assembly语言独立设计ZK证明的专用型的ZKapp，由于具有较低的可组合性和解耦能力，将在未来的发展过程中面临很大的阻碍。这些方案由于和其他ZK方案不兼容VM，不兼容语言，不兼容，存在较大的调用难度。

5、依赖，时间序列的交易Log，数据安全性和证明的完整性决定了其执行的可靠性。在目前ZK方案大部分闭源的状态下，ZK安全审计有很大的发展前景。

6、由于ZKP依赖链下数据，交由DA链则会失去数据的隐私性。想要兼容数据隐私性和ZK证明节点不作恶，就需要新的解决方案。我们看好未来诸如MPC/FHE等安全计算方案。

7、随着不同Circuit的不断成熟，Zk证明可能也会迎来提效和分工，ZK证明的硬件提速方案，以及专业的ZK矿工也可能应运而生。

8、ZKP经验局限性问题。典型问题包括：约束系统无法有效约束数据，当证明一些复杂交叉的命题时，约束面临不够充分的问题；私有数据泄露，私有数据当做公开数据处理；针对链下数据的攻击，合约层的“metadata-attack”；ZK证明节点的作恶等等。

身陷加密货币丑闻的韩民主党议员金南国宣布将退党:5月14日消息，韩国主要在野党民主党议员金南国（Kim Nam-kuk）周日表示，由于涉嫌参与大规模加密货币交易的指控越来越多，他将退党。

有指控称，去年5月和11月，这位第一届国会议员在参加至少两次国民议会司法委员会会议期间交易了加密货币。

此前消息，据《朝鲜日报》披露，韩国议员金南国在2021年提出推迟加密货币等虚拟资产的征税法案时持有80万枚WEMIX，价格最高时超 60亿韩元（约合455万美元），这与他节俭的形象大相径庭。检方已对此事展开调查，以确认是否存在违法行为。（Korea Herald）[2023/5/14 15:02:06]

9、短期来看，ZK方案的安全性存在局限，目前大量的共识还是建立在链下节点的自律上，缺乏一系列必要的工具，来保障链下环境的安全性。

概览

一直以来ZK技术由于其重峦迭嶂的专业术语，使得人们难以对这一主题充分讨论。本文将着重从生态发展角度，来分析ZK技术和其应用场景，描述目前ZK相关的竞争格局，并为未来发展的方向做一些畅想。本文着重讨论：

当我们在讨论ZK技术的时候我们在讨论什么？(知识铺垫，机构投资者可以从第二部分开始读。)从技术发展角度看待gzkvm的发展规律和结构?目前主要ZKvm技术方案的比较？分析和展望?

一、虚拟机ABC--从日常计算机说起

在介绍ZKEVM相关的知识以前，我想先从我们日常的计算机的结构讲起。我们都知道计算机分为软件和硬件两部分，为了让软件顺利的在硬件上运行，我们需要为软件匹配适宜的运行环境。从结构来看，运行环境由两部分组成。

其中黄色部分为硬件，绿色部分为操作系统。这里可能有同学会提出疑问：为什么运行环境不等价于操作系统，这主要是因为操作系统难以兼容所有的硬件，只有操作系统和硬件的匹配才能为软件提供服务。这个问题，我们再后面ZKVM的发展路线钟，还会提到。

有了运行环境，我们还需要具体的软件才可以实现具体需求。那么程序是怎样跑起来的呢？

美OCC代理署长：稳定币似乎是从银行业借用概念而不受监管:10月11日消息，美国货币监理署（OCC）代理署长Michael Hsu在乔治城法律华盛顿特区金融科技周会议上表示，稳定币似乎是从银行业借用概念，却又不受监管。稳定币可能被视为“伪装”的术语，该技术看起来很像银行业，但没有与传统银行业相同的规则。

他表示，“他们想借用银行存款的想法，并认为你拥有的东西有与货币一样的功能，只不过它是基于互联网的。如果我们不小心，那是不对的。如果你不能用‘稳定币’这个词来形容它，你会怎么形容它？”（The Block）[2022/10/11 10:31:15]

从图上我们可以看到，软件经操作系统交由硬件层来进行计算的整个流程，在过程中程序语言经过了三个阶段的变化，高级语言用来写程序完成实际需求，汇编语言用来和计算机沟通，底层本地代码由计算机具体执行。具体来看，程序员完成APP的代码后，经由转译器翻译成obj，这些离散的目标语言，将会通过操作系统中的Linker得以链接，两者输出可执行的exe文件存储在硬盘中。

当运行的时候，exe文件会将数据放入内存，经由CPU将Obj转化为本地代码进行计算操作，实现app的I/O。这一过程中存在非常多的选择，多样的语言，多样的操作系统，多样的硬件，从商业角度面临了非常多的Tradeoff，而这些选择最后便体现在编译器内核LLVM的改进中。

下图我们可以看到，硬件和操作系统之间有多种对应关系和限制条件：

同一类型的硬件可以安装多种操作系统，不同硬件需要匹配不同类型的操作系统。例如，同样的AT兼容机A中，既可以安装Windows，也可以安装LinuxB等操作系统。又如，X86芯片的硬件，需要x86版本的windows来匹配。这主要是由于操作系统底层汇编语言需要与芯片匹配。

App的成功运行需要与CPU匹配，也需要与操作系统匹配。例如：1，为了保证Office2017的正常运行，需要具备x86C的CPU；2，有些APP只能在windowXP上运行，在2000上则运行不了。

Polygon推出适用于Gnosis Safe的PoS桥Gnosis Bridge，方便用户安全转移资产:8月12日消息，Polygon宣布推出适用于Gnosis Safe的Polygon PoS桥Gnosis Bridge，帮助用户在Polygon和以太坊间转移资产。

据悉，Gnosis Bridge目前支持MetaMask、Coinbase和Wallet Connect三个钱包。[2022/8/12 12:20:48]

CPU只能解释其自身固有的机器语言。不同的CPU能解释的机器语言的种类也是不同的。也就是说，用不同高级语言编写的APP，如果不能通过编译成CPU可以运算的语言，CPU也是无法执行的。

二、ZkVM是什么？

通常我们在讨论ZK的时候，通常是在三个语境当中：

使用ZK作为Scaling方案RollupL2。使用zkp进行证明的应用，dydx，Zklink等等。zkproof作为一种密码算法。用什么语言，在什么环境下，用什么硬件执行？这是广义VM所要解决的问题。

前面我们刚刚介绍了传统操作系统，再来看ZKVM的时候，我们可以发现，ZKVM也完成了类似的职能，完成了硬件层和高级语言的沟通。其核心是数据证明与状态更新，当系统接收到两类input，原始数据和证明，比对计算后，输出指令和ZKP，提交L1进行共识广播。

具体来看ZK证明经过几个部分:

1.本地的计算；

2.Circuit的定义。比如确认你钱包有没有钱，确认信息是不是完整，确认签名是否正确；

3.算术化证明：运用数学方法证明计算是可执行的。

4.将算数证明结果和实际结果比对

5.将结果递交上链

以Scroll的方案为例，我们看到从Geth出发，系统完成了本地的计算，将交易Trace拆解转化成Circuits算子，然后使用算数方法得出ZK证明。然后比对数据和证明，如果无误即可广播上链。这当中涉及许多关键技术，比如如何设定Circuits，有哪几类Circuits？如何对Circuits进行拆解?整个确认方法，可以想象一张巨大的表，每一个变量都有其参数，在已知历史数据的背景下，求特定结果的必然性。

Warp 2.0首个稳定版本即将进行审计，可将Solidity语言转换为StarkNet Cairo:6月16日消息，以太坊客户端Nethermind首席技术官Greg Vardy发推表示，Warp 2.0 的首个稳定版本即将进行审计。Warp 2比Warp 1好几个数量级。Warp为 StarkNet带来了Solidity，使得将以太坊智能合约转换为StarkNet Cairo合约成为可能。[2022/6/16 4:32:16]

举个例子，如果我要确认某个账户有100块钱，传统区块链的方式是让每个节点都确认一遍，而现在我只需要一个节点，在保证数据完整性的前提下，再加上最近净流入100块的证明，然后进行确认完成后，即可证明账户有100元，区别就是前者需要每一个节点的计算，后者只需要单一节点计算和zk证明。在这个例子中，确认的是“如何在链下证明账户有充足余额”，证明需要的约束是“当最近历史时间轴内账户净流入大于100，然后将节点计算结果与ZKP比对，从而决定状态是否正确。

ZK语言的公约数

根据MidenVM的总结，目前市场上主要的Zkapp所采用的的工具都是以WASM和RISCV为主的汇编语言，一些工具包能让应用很快打上“ZK”的概念或者标签。但稍微拆解一下结构，我们会发现传统智能合约由L1来保证安全性，全网广播形成共识的安全性已经经过历史检验了，而利用链下ZKP证明，则存在ZKP证明节点是否作恶的问题。

先不论Devs是否能够合理设立约束的能力问题，如何防范ZKP证明节点的作恶意愿问题，无疑是更为重要的。

举例来看，一些ZKdex更像是在Cex和Dex之间寻找一个平衡点，相较于Cex而言，用户可以将资金保管在自己的L1账户；而相对Dex而言，又能有更优的效率表现。但在实践中，大量的项目都存在链下证明的安全隐患。此外，由于从APP层到IR层，都是由zkAPP团队独立开发，家家户户有着自己的编程习惯和轮子库，这也导致团队与团队之间难以形成可组合性，也不利于加速市场分工和硬件设备的加速。

因此，市场破解寻找一个在密码学和高级语言之间找到一层公约数。来为各类应用提供一个通用的框架，而ZK-VM则是适配整套系统，承上启下的重要部分。

Cardano上NFT铸造总量超500万:5月30日消息，据 Watcher.Guru 报道，Cardano 网络上 NFT 铸造总量已经超过 500 万。[2022/5/31 3:51:55]

在执行模式方面，EVM与JVM非常相似。两者都是执行字节码的堆栈机。EVM增加了一个存储的概念，它的字节码指令更适合于合同开发。?

图中我们以ETH举例，传统ETH由三部分构成，ETH网络，EVM，Dapp开发生态。这里我们可以很清晰的感受到ZK承上启下的作用：

1.站在ZK电路硬件层的角度：

EVM可能无法全部兼容。由于EVM有一些变长的指令，比如CALL，DATACOPY，EXP，CREATE等等，这些对ZK电路不友好。

2.站在开发者角度：

能否不需要重新学习语言，保留EVM的API特性。在这种情况下，整个生态就可能失去对一些ZK算法的支持。

除此以外，ZKVM还需要考量很多技术兼容，比如：

1.寄存器的兼容。MachineType.传统EVM是一个Stack-based的Statemachine，因此大量的计算式串联的，不可并行的，这确保了整个计算机的原子性。这一架构对于ZK是非常不利的，如果要发挥ZK算法的全部效率，则需要做一个Register-Based，也就是以CPU-寄存器为核心架构来设计VM。

2.语言上的兼容。FunctionCalls.VM系统将底层特性封装成API，如何让API支持动态调用，支持像Python一样的高级语言。

3.计算机底层的兼容。NativeField.不同的CPU有不同的位数，在不同算法上的表现不同。需要为ZK专用计算机做谋划。

4.传统公链结构的兼容:Sequencer/Roller/Miner.

三、ZKVM的架构

主流技术方案

用什么语言，在什么环境下，用什么硬件执行？这是广义VM所要解决的问题。

VM当中最为重要的内核便是LLVM，他可以看作是编译器最重要的内核。图中是原始EVM的运作方案，智能合约通过LLVMIR的中间代码进行转化，转化成Bytecode。这些Bytecode会存储在区块链上，当智能合约被调用的时候，便会将Bytecode转化成对应的Opcode，再由EVM和节点硬件来执行。

结合上ZK，各个不同的解决方案是怎样实现的呢？

Starkware

Starkware由于在整个ZK领域起步较早，技术积累较为充分，拥有一定的技术领先。他是代表性的ZK中心主义的技术架构，围绕ZK构建了CairoVM和Cairo的语言。但由于他是闭源状态，一些技术细节并不清晰。其缺点在于，Cairo的学习成本。虽然官方也开发了Solidity转换Cairo的一些框架，但由于其底层核心均建立于CairoVM上，意味着有相当多Solidity-EVM兼容的特征会损失。

Zksync

ZKsync的框架兼容了EVM和ZK两方面的特点，将Solidity和其自主开发的电路语言Zinc做了一个融合，在编译器内部将两者在IR层面上做了统一。其优点在于编译器内核的LLVM可以兼容多种语言。Zksync也是闭源框架。

HermezbyPolygon

Scroll

HermZ和Scroll两个技术方案更侧重以太坊生态，他们在Bytecode上和ETH生态做了融合。由于EVM天然支持bytecode和其对应的opcode，这两者和ETH生态有着更高的融合性。Solidity在这两个Zkvm上能充分的调用EVM的API，最大保留了EVM的架构优点。两个方案有所差异的是，Hermz会将opcode在内部进行统一，然后再进行证明；而Scroll则会将Opcode拆解circuit进行证明，再进行整合。

为什么要选择兼容EVM？因为EVM当中有一些架构经过检验，安全性比较好，兼容性也比较好。举例来说Geth模型和RPC架构，这些API已经被EVM较好的封装，也经过历史检验。

总结来看，

Starkware最底层从WASM和机器码层面进行统一，ZKsync最浅在IR层面进行统一，Hermz和Scroll居中在Bytecode上进行统一；Starkware是技术转型最彻底的，但也是用户学习门槛最高的；而Zksync相对比较均衡，保留一部分solidity特性，发挥局部ZK性能；Hermz和Scroll相对最易应用和拆解，全面集成Bytecode，整合EVM，尤其是Scroll，开放ZK证明，也给了硬件加速更大的空间。相对来说，无论是技术驱动还是生态整合驱动，都在未来有各自的发展空间，“贸工技”还是“技工贸”都有机会找到自己的场景，发挥更大价值。如果我们对照回顾Windows历史，在强有力的操作系统出现以前，不同的开发者需要对不同的硬件，掌握不同的开发工具。不掌握汇编，不理解计算机底层的开发者在开发过程中会遇到非常多的挫折。而操作系统在硬件当中寻找最大的公约数，将CPU以外的I/O系统都封装成统一的接口，这些技术积累，使得软件开发的门槛大大降低了，也使得大部分程序员只需要理解高级语言即可，即使不具备汇编和底层代码知识仍然可以写出漂亮的App。

对照看到ZKVM的发展，我们可以看到一些端倪，如果说现在的ZKapp需要传统程序员+汇编+密码学知识储备才能开发，未来随着ZKVM的成熟，越来越多的底层技术封装进高级语言当中，开发门槛渐次降低，生态繁荣是可以想见的。

对于Founder而言，有两个注意点：

1.ZK技术将链上共识转为链下证明，目前证明技术相对成熟，但是拆解证明，数据存储的安全隐患仍然不少，相关审计机构，测试工具都存在空白缺位。

2.ZK技术的使用场景尚待发掘。通用型ZKVM紧锣密鼓开发，ZK对应高级语言也有待技术人员的学习，从技术成熟到解决问题还有一段时间。想要用ZK解决问题，founder需要回答：如果是个细分场景，是否需要自己用WASM去搭建，一旦ZKVM成熟，自己的技术积累是否还有先发优势？是否支持其他ZKapp调用？

展望与结论

ZK的技术具有隐私和扩容两个最主要的使用场景，当我们讨论隐私的时候，我们实际上是在保护链下数据，不被获取；而当我们讨论扩容的时候，我们是利用ZK节省链上计算空间。

ZKVM发展的核心权衡技术与devs。围绕着发挥ZK潜力，意味着CPU寄存器的硬件加速，IR语言和assembly语言的再组织；而围绕着利用开发者资源，则意味着Solidity转化bytecode后，如何将Bytecode所映射的opcode，进行ZK证明的问题。以assembly语言独立设计ZK证明的专用型的ZKapp，由于具有较低的可组合性和解耦能力，将在未来的发展过程中面临很大的阻碍。这些方案由于和其他ZK方案不兼容VM，不兼容语言，不兼容证明，存在较大的调用难度。按照模块化区块链的观点，L1解决共识问题，L2解决计算和执行问题，DA层解决数据可得性和完整性的问题。由于Zk类，数据安全性和证明的完整性决定了其执行的可靠性。这里有一对矛盾，如果我们不信任链下节点，希望将数据交由DA独立存储，那么对DA链就提出安全的要求，；如果存在本地，保证数据不被篡改，就需要证明节点本身不去作恶。这些都提升了对MPC/FHE解决方案的需求。在目前ZK方案大部分闭源的状态下，目前大量的共识还是建立在链下节点的自律上，缺乏一系列必要的工具，来保障链下环境的安全性。未来contraint设计和代数证明将成为两个最主要的审计环节。ZK生态主要的风险。典型问题包括：约束系统不充分。当证明一些复杂交叉的命题时，约束面临不够充分的问题；私有数据泄露。私有数据当做公开数据处理；针对链下数据的攻击，合约层的“metadata-attack”；ZK证明节点的作恶等等。随着不同Circuit的不断成熟，Sequencer/Roller/Miner也会迎来提效和分工，我们期待ZK证明的硬件加速机会。

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