zkVM与zkEVM：下一代区块链扩展解决方案的技术分析

介绍

零知识证明技术的出现引发了区块链扩展解决方案的技术复兴。两种不同的方法，zkVMs ( 零知识虚拟机 ) 和 zkEVMs ( 零知识以太坊虚拟机 )，在这场革命的前沿。虽然两者都利用了ZK证明，但它们为开发者和去中心化金融 (DeFi) 团队提供了不同的优先级。这两种技术旨在提高区块链交易的可扩展性、隐私性和安全性，但其方法和应用有所不同。本文将全面分析这两种技术，审查它们的架构差异、实施挑战和现实世界的影响。

虚拟机中的零知识证明

在深入zkVM和zkEVM的具体细节之前，让我们先理解零知识证明在虚拟机架构中的功能。零知识证明允许一方 ( 证明者 ) 向另一方 ( 验证者 ) 证明一个陈述是真实的，而无需透露任何超出陈述有效性的附加信息。

在区块链扩展的上下文中：

• 证明验证状态转换的正确性。
• 计算完整性在没有完全重新计算的情况下得以维护。
• 在保证有效性的同时可以保持隐私。

什么是 zkVM？

zkVM是一种可以执行任何软件或程序的虚拟机，类似于传统计算机，但增加了零知识证明的好处。程序的执行可以在不透露基础数据或计算的情况下进行验证。与专业系统不同，zkVM旨在灵活，支持多种编程语言和用例。

zkVM项目示例

• Starknet (Cairo VM)：使用Cairo编程语言构建可扩展的去中心化应用 (dApps)，配备STARK证明。
• RISC Zero：实现了一种 RISC-V架构虚拟机，使开发者能够用Rust或C++编写经过ZK证明的代码。
• Miden VM：基于STARK的开发者友好的zkVM，优化用于用Rust编写的高吞吐量应用。

zkVM的优势

• 灵活性：开发者不受限于以太坊生态系统。他们可以创建自定义逻辑、保护隐私的应用程序或新的区块链架构。
• 性能：通过避免EVM ( 以太坊虚拟机 ) 的兼容性约束，zkVM能优化速度和效率，并可以获得更高的交易吞吐量和更低的延迟。

其他一些主要优势包括：

• 更快的订单匹配。
• 高效的AMM计算。
• 优化的预言机实现。
• 降低的Gas费用。
• 增强安全性：得益于其高级可验证性功能，zkVM提供安全且可靠的智能合约执行。

其他附加利益包括：

• 增强的隐私选项
• 自定义验证系统
• 新颖的安全模型
• 专门的审计工具
• 创新：支持新的用例，如保密DeFi、链上游戏或身份验证系统。
• 隐私：zkVM可以设计以支持高级隐私功能，如保密交易和数据屏蔽。

其他优势包括：

• 保护隐私的交换。
• 零知识借贷。
• 保密交易。
• 自定义金融原语。
• 去中心化：zkVM通过允许开发者构建不受特定区块链或平台限制的去中心化应用，促进去中心化。

挑战

• 学习曲线：需要使用新的语言 (如Cairo) 和工具。
• 生态系统碎片化：每个zkVM都有其标准，降低了互操作性。
• 流动性和网络效应：zkVM通常缺乏以太坊现有的用户基础和流动性，使得新生态系统的建立更加困难。

分析

语言支持：

• Rust (Risc Zero)
• Cairo (Miden VM)
• 自定义DSL
• 低级编程选项

性能：

• 中等计算要求
• 优化的内存使用 (32-64GB RAM)
• 标准硬件兼容性
• easier proof generation scaling

什么是 zkEVM？

零知识以太坊虚拟机 (zkEVM) 是一种专门为以太坊区块链设计的zkVM版本。zkEVM使用ZKP执行以太坊智能合约，保持与以太坊虚拟机 (EVM) 的兼容性。这项技术使开发者能够在Layer 2扩展解决方案上部署以太坊智能合约，而无需进行大量代码修改，同时享受ZKP的优势。

zkEVM的类型

Vitalik Buterin 将zkEVM分为 四种类型，基于它们与以太坊的兼容级别：

zkEVM项目示例

• Polygon zkEVM：一款于2023年3月推出的类型3 zkEVM，提供与以太坊几乎相同的兼容性。
• Scroll：一款开源的类型3 zkEVM，专注于字节码级别兼容性和开发者友好性。
• zkSync Era：一种类型4 zkEVM，平衡了EVM兼容性和ZK友好的优化。

分析

证明生成：

• 由于EVM复杂性，电路尺寸更大。
• 较高的计算要求。
• 更长的证明时间。
• 更昂贵的验证。

资源要求：

• 高性能证明服务器。
• 大量内存要求 (32GB RAM)。
• 专用硬件加速。
• 分布式证明生成系统。

协议兼容性：

• 直接Uniswap部署。
• Aave协议兼容性。
• Compound金融集成。
• Chainlink预言机支持。

语言支持

• Solidity (完全支持)
• Vyper兼容性
• 汇编级编程
• 标准以太坊库

为何开发者和DeFi团队关心

对于开发者：

• zkVM：非常适合需要高度定制的项目，如关注隐私的应用程序、链上游戏或新的金融工具。愿意投资学习新语言和工具的团队可以解锁最前沿的优化和功能。
• zkEVM：最适合优先考虑快速部署和兼容性以太坊原生团队。现有的审计、代码库和开发者技能可以无缝转移，减少上市时间。

对于DeFi团队：

• zkVM：推动创新，如使用隐私的低抵押贷款、抗MEV的DEX设计或保密交易平台。
• zkEVM：允许像Uniswap、Aave或Compound这样的协议在不分散流动性的情况下扩展。

例如，zkSync Era 托管了一个 繁荣的 DeFi 生态系统，具备本地ETH桥接和低交易成本。

zkEVM在区块链中心使用案例中的现实应用

• 像Aave和Uniswap这样的平台在zkEVM上部署 ( 如Polygon zkEVM、zkSync Era )，以降低Gas费用并每秒处理数千笔交易，使借贷、交易和收益耕作对数百万人可及。
• zkEVM通过将交易批次压缩为一个单一的ZK证明，能够实时、低成本地汇款，减少对传统中介的依赖，如SWIFT。
• 房地产、股票和商品可以在zkEVM上代币化，使得在基于链的RWA叙事下实现传统上流动性差的资产的部分所有权和流动性。

见：

• https://cointelegraph.com/news/base-network-mulls-tokenized-coin-stock
• https://coingape.com/jesse-pollak-reveals-efforts-to-tokenize-coinbase-coin-on-base/
• zkEVM支持的系统使用户能够证明公民身份、年龄或资格，而无需暴露敏感数据，从而简化银行和政府的KYC流程。
• 金融机构可以生成ZK证明，以验证遵守法规 ( 例如，反洗钱 )，而无需披露交易细节。

使用 zkVM 解决 Web2 用例

由于zkVM与以太坊或区块链无关，它们可以在隐私和可扩展性保证的情况下执行任意程序。这种灵活性使它们非常适合解决传统行业中的遗留问题：

1. 医院可以使用zkVM安全地共享患者数据。

例如，zkVM可以证明患者符合临床试验的资格标准，而无需透露其完整的医疗历史。

2. 患者可以向保险公司提交治疗有效性的证明，而无需公开敏感的诊断，减少欺诈和官僚主义。

例子：像RISC Zero这样的项目可以使医院网络在国境间使用ZK证明验证COVID-19的疫苗接种状态，符合GDPR和HIPAA的合规性。

3. 银行可以利用zkVM评估信用度，分析交易历史而无须访问原始数据，保护用户隐私。

4. 像Visa这样的支付处理商可以使用zkVM实时验证交易合法性，而无需暴露客户的详细信息。

例子：一家金融科技初创公司或一家传统银行可能会构建一个基于zkVM的系统，让用户证明其有足够收入申请贷款，而无需分享银行对账单。

5. 像路易威登等奢侈品牌可以使用zkVM验证产品 (如手袋) 的真实性，而无需透露供应商身份或专有采购方法。

6. 像Nestlé等公司可以使用ZK证明证明原材料 (如咖啡豆) 的可持续采购，避免绿色洗白的指控。

7. 政府可以部署基于zkVM的投票系统，选民证明资格和选票有效性，增强选举过程的可信度。

8. 股东可以匿名投票公司的决策，同时确保结果可以通过ZK证明进行审计。

例子：以数字治理著称的爱沙尼亚，可以实施zkVM投票以防止胁迫并保持选民隐私。

9. 一种基于zkVM的数字身份证系统可以替代机场的实体护照，旅行者在机场检查站证明公民身份，而无需透露个人数据。

10. 政府可以利用基于Groth16和PLONK密码学的zkSNARKS来验证社会计划资格 (例如，失业救助)，而无需揭示申请人的财务细节。

例子：印度的Aadhaar (社会安全号码系统) 可以采用ZK电路来验证公民服务，同时防止数据泄露。

查看 https://github.com/anon-aadhaar/anon-aadhaar 以获取更多信息。

采用挑战

尽管具有潜力，zkVMs在Web2采用中面临障碍，因为：

• 复杂性：集成zkVM需要对ZK密码学的专业知识，而大多数企业缺乏这种知识。
• 昂贵：ZK证明生成计算密集，尽管硬件加速 (例如，GPU) 正在降低成本。
• 监管不确定性：GDPR等隐私法律与某些行业的透明度要求存在冲突，产生合规模糊地带。
• 互操作性：遗留系统 (例如SQL数据库) 可能难以与基于zkVM的解决方案进行接口。

前路展望

zkVM和zkEVM在区块链技术的未来将扮演关键角色：

zkEVM将在以太坊扩容中占据主导角色，帮助其过渡到模块化的、以rollup为中心的未来。像Polygon zkEVM和Scroll这样的项目已经开始得到关注，为开发者提供无缝的扩展路径。

zkVM将推动新的生态系统 (如Starknet、Miden) 和需要定制和隐私的企业应用。随着ZK证明硬件加速的成熟，证明时间和成本将下降，使zkVM更加可及。

新兴趋势

zkVM与zkEVM的叙述可能不会导致赢家通吃的局面。相反，我们看到一种向专业化发展的趋势：

• 混合方法：一些项目在探索将zkVM灵活性与zkEVM兼容性的混合模型。
• 硬件加速：ZK证明硬件的进步 (如GPU和FPGA) 将降低zkVM和zkEVM的证明成本。
• 互操作性：跨rollup ( 互操作性 ) 通信协议将使zkVM和zkEVM生态系统之间实现无缝互动。

结论

zkVM与zkEVM的叙述不仅仅是一场技术辩论——这是一场关于区块链扩展未来的根本讨论。zkVM和zkEVM在加密货币之外还有广泛的现实应用。虽然zkEVM是专门为以太坊区块链设计的，但zkVM则更加多才多艺，可以应用于Web2中的多种用例。通过解决Web2用例，如数据隐私、身份验证、可靠的多方计算和云计算，zkVM有潜力改变各个行业，并创造创新和增长的新机会。这两种方法的共存丰富了区块链生态系统，为开发者和组织提供了构建下一代去中心化应用的多样化工具。

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