在通用电路中，每个执行的指令的成本与所有支持的指令的总和成正比。
\r\n\r\n实际上，这意味着即使你只执行最简单的指令，你也要为最昂贵的可能指令付出（性能成本）。这导致了通用性和性能之间的直接权衡-随着你增加更多指令以实现通用性，你将为每个指令付出代价！\r\n\r\n这是通用电路的一个根本问题，但是通过[技术的新发展](https://eprint.iacr.org/2022/1758.pdf)，例如 IVC（增量可验证计算），可以通过将计算分解为具有专门的、较小的子电路的较小块来缓解这个问题。\r\n\r\n当今的 zkEVM 实现使用不同的策略来减轻这个问题的影响...例如，zkSync 从主执行证明电路中剥离出更昂贵的操作（主要是密码学预编译，如哈希和 ECDSA），将它们放入单独的电路中，然后通过 snark 递归将它们聚合在一起。zkSync 在意识到大部分成本来自于少数复杂指令后采取了这种方法。\r\n\r\n\r\n\r\n交易成本由少数昂贵的操作主导。
\r\n\r\n从根本上讲，证明更多 EVM 等效指令集更昂贵的原因是，EVM 并不是为 zk 计算而设计的。在堆栈较早的位置放弃 EVM 允许 zkEVM 在更适用于 zk 的指令集上运行，因此更便宜的证明成本。\r\n\r\n### **它是为谁而设计的？**\r\n\r\nzkEVM 的理想客户是需要比 L1 以太坊提供的交易便宜几个数量级的智能合约应用程序。这些开发者不一定具备从头开始编写 zk 应用程序的专业知识或带宽。因此，他们更喜欢使用他们熟悉的高级语言来编写应用程序，比如Solidity。\r\n\r\n### **为什么有这么多团队在构建它？**\r\n\r\n**扩展以太坊**目前是 zk 技术最受需求的应用。\r\n\r\nzkEVM 是一种以太坊扩展解决方案，可以无缝地缓解限制 L1 dApp 开发者面临的拥堵问题。\r\n\r\n### **开发者体验**\r\n\r\nzkEVM 的目标是支持尽可能接近当前以太坊开发的开发者体验。完全支持Solidity意味着团队不必构建和维护多个代码库。这在完美实现上有些不切实际，因为 zkEVM 需要在合理的时间内生成合理大小的证明，因此需要在一些兼容性上做出一些权衡。\r\n\r\n### **快速案例研究：zkSync vs Scroll**\r\n\r\nzkSync 和 Scroll 之间的主要区别在于它们在堆栈中的何时进行算术化转换-也就是说，它们在哪里将普通的 EVM 结构转换为 SNARK 友好的表示形式。对于 zkSync，这发生在将 YUL 字节码转换为他们自己的自定义 zk 指令集时。对于 Scroll，这发生在堆栈最末，当实际执行跟踪生成实际的 EVM 操作码时。\r\n\r\n因此，对于 zkSync，与 EVM 的交互方式与以往完全相同，直到生成 zk 字节码。对于 Scroll，一切都与以往相同，直到实际的字节码被执行。这是一个微妙的区别，它在性能和支持之间进行权衡。例如，zkSync 将不会直接支持像调试器这样的 EVM 字节码工具，因为它是完全不同的字节码。而 Scroll 将更难以从为 zk 设计的指令集中获得良好的性能。这两种策略都有利弊，最终有很多外部因素会影响它们的相对成功。\r\n\r\n## **zkLLVM 电路编译器**\r\n\r\n> 尽管其名称如此，LLVM 并不是一个虚拟机（VM）。LLVM 是一套编译器工具的名称，其核心是一种与编程语言无关的中间表示（IR）。\r\n\r\n=nil; Foundation（关于名称，如果你好奇的话，这是一个[SQL 注入笑话](https://xkcd.com/327/)）正在构建一个编译器，可以将任何 LLVM 前端语言转换为可以在 SNARK 中验证的中间表示。zkLLVM 被设计为现有 LLVM 基础设施的扩展，这是一个支持诸多高级语言（如 Rust、C、C++等）的行业标准工具链。\r\n\r\n### **工作原理**\r\n\r\n\r\n\r\nzkLLVM 架构的草图
\r\n\r\n想要证明某个计算的用户只需在 C++中实现该计算。zkLLVM 接收这个高级源代码（目前支持他们修改过的 clang 编译器，即 C++），并生成电路的某种中间表示。此时，电路已经准备好进行验证，但用户可能希望基于一些动态输入来验证电路。为了处理动态输入，zkLLVM 还有一个额外的组件，称为分配器(assigner)，它生成一个包含所有输入和见证（witnesses）的赋值表，经过完全预处理，准备好与电路一起进行验证。\r\n\r\n这两个组件就足以生成一个证明。用户理论上可以自己生成证明，但由于这是一项相对专业的计算任务，他们可能希望支付其他人来为他们完成。为了解决这个对手发现机制，=nil; Foundation 还建立了一个“证明市场”，在这个市场上，证明者竞相为愿意支付他们的用户证明计算。这个自由市场的动态将导致证明者优化最有价值的证明任务。\r\n\r\n### **权衡**\r\n\r\n由于每个要证明的计算任务都是独特的，并且会生成不同的电路，证明者需要能够处理无限数量的电路。这种强制的通用性使得优化单个电路变得困难。引入证明市场允许专门化于市场认为有价值的电路。如果没有这个市场，很难说服证明者优化这个电路，因为存在自然的冷启动问题。\r\n\r\n另一个权衡是经典的抽象与控制之间的选择。愿意使用这种易于使用的界面的用户放弃了对底层加密原语的控制。对于许多用户来说，这是一个非常合理的权衡，因为让加密专家为你做出这些决策通常更好。\r\n\r\n### **优点**\r\n\r\n- 用户可以使用熟悉的高级语言编写代码\r\n- 所有零知识证明的内部细节对用户来说是抽象的\r\n- 不依赖于特定的“虚拟机”电路，避免了额外的开销\r\n\r\n### **缺点**\r\n\r\n- 每个程序都有不同的电路，难以优化（部分通过证明市场解决）\r\n\r\n- 非常难替换/升级内部的零知识库（需要分叉）\r\n\r\n \r\n\r\n## **zkVM**\r\n\r\nzkVM 描述了所有 zk 虚拟机的超集，而 zkEVM 是 zkVM 的一种特定类型，由于其在当今的普遍性，值得将其作为一个单独的主题进行讨论。还有一些其他项目正在构建基于除了定制加密虚拟机之外的 ISA 的更通用的 zkVM。\r\n\r\n系统可以证明不同的指令集架构（ISA），例如 RISC-V 或 WASM，而不是证明 EVM。正在开发这些通用 zkVM 的两个项目是 RISC Zero 和 zkWASM。让我们深入了解一下 RISC Zero，以展示这种策略的工作原理以及它的优缺点。\r\n\r\n### **Risc Zero**\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n Risc Zero 证明生成的高层架构\r\n
\r\n\r\nRisc Zero 能够证明在 RISC-V 架构上执行的任何计算。RISC-V 是一种开源指令集架构（ISA）标准，正在日益流行。RISC（精简指令集计算机）的理念是构建一个极其简单的指令集，具有最小的复杂性。这意味着在堆栈的较高层中的开发人员需要承担更大的负荷，以使用这种架构实现指令，同时使硬件实现更简单。\r\n\r\n这种理念也适用于通用计算，ARM 芯片一直在利用 RISC 风格的指令集，并开始主导移动芯片市场。事实证明，更简单的指令集也具有更高的能源和芯片面积效率。\r\n\r\n这个类比对于生成零知识证明的效率非常适用。正如之前讨论的那样，在生成 zk 证明时，你需要为每个追踪项中的所有指令的成本总和付费，因此简单且指令总数较少的情况更好。\r\n\r\n### **工作原理**\r\n\r\n从开发者的角度来看，使用 RISC Zero 处理 zk 证明就像使用 AWS Lambda 函数处理后端服务器架构一样。开发者通过编写代码与 RISC Zero 或 AWS Lambda 进行交互，而服务会处理所有后端复杂性。\r\n\r\n对于 RISC Zero，开发者可以编写 Rust 或 C++ 代码（最终可以编译为 RISC-V）。然后系统会使用编译过程中生成的 ELF 文件作为 VM 电路的输入代码。开发者只需调用 prove 函数，它会返回一个收据（其中包含执行追踪的 zk 证明），任何人都可以从任何地方调用 `verify` 函数。从开发者的角度来看，无需理解 zk 的工作原理，底层系统会处理所有这些复杂性。\r\n\r\n\r\n\r\nRISC Zero 内部？
\r\n\r\n **优点**\r\n\r\n- 使用简单，为任何程序员打开了构建 zk 应用的大门\r\n- 单一电路，证明者可以专门为其进行优化\r\n- 同时减少了攻击面和审计工作量\r\n- 与任何区块链兼容，你只需发布证明\r\n\r\n**缺点**\r\n\r\n- 承担了很大的开销（证明大小和生成速度）以支持这样一个通用接口\r\n\r\n- 需要在证明生成技术方面有显著改进，以实现对现有库的广泛支持\r\n\r\n \r\n\r\n## 预构建的可重用电路\r\n\r\n对于一些基本且可重用的电路，它们对于区块链应用或其他领域特别有用，团队可能已经为你构建和优化了这些电路。你只需为你特定的用例提供输入即可。例如，默克尔树包含证明是加密应用（空投列表、Tornado Cash 等）中常常需要的一种证明。作为应用开发者，你可以始终重用这些经过实战检验的合约，只需在其上层进行修改，即可创建一个独特的应用。\r\n\r\n例如，Tornado Cash 的电路可以用于[私人空投应用程序](https://github.com/a16z/zkdrops)或[私人投票应用程序](https://github.com/BlockchainCap/zk-vote)。Manta 和 Semaphore 正在构建一个完整的常见电路工具包，类似这样的工具包可以在Solidity合约中使用，几乎不需要了解底层的 zk moon 数学。\r\n\r\n## **选择适合你的技术堆**\r\n\r\n正如我们详细讨论的那样，有许多不同的选项可用于开发 zk 应用程序，每个选项都有其独特的权衡。这个图表将帮助总结这个决策矩阵，以便根据你的 zk 专业知识水平和性能需求，选择最适合工作的工具。这不是一个全面的列表，我计划在未来添加更多在这个领域出现的工具。\r\n\r\n## zk 应用程序开发备忘单\r\n\r\n### **1. 低层 Snark 库**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 你需要对整个证明堆栈进行精细控制\r\n- 想要避免重建常见组件\r\n- 想要尝试不同的证明方案、曲线和其他低层原语的组合\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 你是一个寻找高级证明接口的新手\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [Arkworks-rs](https://github.com/arkworks-rs)\r\n\r\n### **2. zk DSLs**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 你乐意学习一门新的语言\r\n- 想要使用一些经过实战验证的语言\r\n- 需要最小的电路大小，愿意放弃抽象\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 需要对证明后端进行精细控制（目前，某些 DSL 可以交换后端）\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [Circom](https://docs.circom.io/)\r\n- [Aztec Noir](https://aztec.network/noir/)\r\n- [Cairo](https://www.cairo-lang.org/)\r\n- [ZoKrates](https://zokrates.github.io/)\r\n- [Leo](https://leo-lang.org/)\r\n\r\n### **3. zk 编译器**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 不愿承担通用电路的开销\r\n- 想要使用熟悉的语言编写电路\r\n- 需要高度定制的电路\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 想要控制底层的加密原语\r\n- 需要一个已经经过大量优化的电路\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [nil zkLLVM](https://github.com/NilFoundation/zkllvm)\r\n\r\n## **4. zkEVM**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 你已经有一个在 EVM 上运行的 dApp\r\n- 你需要为用户提供更便宜的交易\r\n- 你希望将部署到新链的工作量最小化\r\n- 只关心 zk 的简洁性属性（压缩）\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 你需要完美的 EVM 等价性\r\n- 你需要 zk 的隐私属性\r\n- 你有一个非区块链的用例\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [zksync 2.0](https://zksync.io/)\r\n- [Polygon zkEVM](https://polygon.technology/)\r\n- [Scroll](https://scroll.io/)\r\n- [Starknet](https://starkware.co/starknet/)\r\n\r\n### **5. zkVM**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 想要用高级语言编写代码\r\n- 需要证明此执行的正确性\r\n- 需要向验证者隐藏此执行的某些输入\r\n- 对 zk 没有或几乎没有专业知识\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 在极低延迟环境中（它仍然很慢）\r\n- 你有一个庞大的程序（目前为止）\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [RISC Zero](https://www.risczero.com/)\r\n- [zkWASM](https://delphinuslab.com/zk-wasm/)\r\n\r\n\r\n\r\n### **6. 预构建的可重用电路**\r\n\r\n**何时使用：**\r\n\r\n- 你的智能合约应用程序依赖于常见的 zk 构建模块，例如默克尔树包含\r\n- 你对底层 zk 知识几乎没有了解\r\n\r\n**何时不使用：**\r\n\r\n- 你有高度专业化的需求\r\n- 预构建电路不支持你的用例\r\n\r\n**选项：**\r\n\r\n- [Manta Network](https://github.com/Manta-Network)\r\n- [Semaphore](https://semaphore.appliedzkp.org/)\r\n\r\n## **结论**\r\n\r\nzk 技术处于多个技术的前沿，构建它需要对数学、密码学、计算机科学和硬件工程有深入的理解。然而，随着每天可用的抽象层越来越多，应用开发人员可以在没有博士学位的情况下利用 zk 的强大功能。随着在堆栈的所有层面上进行优化，逐渐解除证明时间的限制，我们很可能会看到更简单的工具供普通开发人员使用。\r\n\r\n我希望能说服你，这位好奇的软件开发者，你可以立即开始在你的应用程序中使用 zk。快乐编程！\r\n\r\n\r\n\r\n你还在等什么呢，快去构建一些 zk 应用吧。\r\n\r\n\r\n\r\n---\r\n\r\n\r\n\r\n本翻译由 [DeCert.me](https://decert.me/) 协助支持， 来 DeCert 码一个未来， 支持每一位开发者构建自己的可信履历。"},"author":{"user":"https://learnblockchain.cn/people/412","address":null},"history":null,"timestamp":1695998632,"version":1}