以太坊:深入了解zkSync 2.0架构、核心基础设施

原文标题:《zkSync2.0:你好以太坊!》

原文作者:水多多|zkSync

我可以把你比作夏日吗?

你的可扩展性和安全性更高。

狂风确实震撼了五月亲爱的心灵,

夏天的租约日期太短了。

——中本聪莎士比亚,2021

介绍

面对最大的技术挑战,我们开始在与EVM兼容的环境中部署智能合约。测试网的第一个版本已经上线:您已经可以使用区块浏览器查看zkSync2.0上的活动。在这篇文章中,我们将深入解释每个关键组件、提供进度更新以及下一个版本的计划。

主要成就

在密码学方面,zkEVM的指令集已经完成,两种实现都完成了:在电路中和在执行环境中。

在编译器方面,用Solidity和Zinc编写的智能合约现在可以编译成zkEVM字节码。

在核心基础设施方面,全节点集成已完成,能够成功部署和执行已编译的智能合约。

虽然zkEVM和核心2.0基础设施已准备好公开,但编译器需要做更多工作才能正确覆盖所有边缘情况。为了提供更全面的开发者体验,我们决定在编译器100%可靠后立即开放对zkEVM、编译器和核心SDK的访问。

zkSync2.0与以太坊的比较

大多数东西看起来和感觉都是一样的。以下是一些重要的区别:

Solidity智能合约

支持以太坊中的大多数操作码!但是,也有一些例外:

此版本不支持ADDMOD、SMOD、MULMOD、EXP和CREATE2操作码,但将来会支持。

我们暂时不支持KECCAK256操作码,而是自动将其所有调用替换为调用另一个抗冲突哈希函数。KECCAK256稍后将作为预编译器引入。

我们决定不包含SELFDESTRUCT操作码,因为以太坊计划将其删除。

我们可能会删除对完整256位XOR/AND/OR操作码的支持,因为这些操作码仅存在于已编译的用于位掩码的可靠代码中。这可以由编译器使用其他操作码来完成。

gas

在zkSync2.0中,有一个不同的gas概念。交易价格将根据当前的L1gas价格和ZKP生成成本而波动。智能合约调用将具有最大数量的zkEVM步骤和存储写入参数。

Web3API

下一个版本将包括我们的Web3API实现,它将与以太坊文档定义的Web3标准兼容。事件将开箱即用,所有服务都可以轻松集成。

zkSync包括L1没有的功能,例如提交和最终块的概念。因此,将会有额外的方法让开发人员更精确地控制数据。Web3客户端代码将接收与您在以太坊上相同的数据,但可以使用「zksync_」命名空间请求专门的信息。

因为zkSync有多种交易类型,并且使用EIP712签名,所以`eth_sendRawTransaction`数据的格式会与L1不同。但是,编码对应于以太坊ABI,所以支持它并不困难。

签署交易

zkSync2.0中的交易可以通过2种方式授权:

用户可以通过签署EIP712消息,使用他们的普通以太坊钱包签署交易。

任何帐户都可以设置一个公钥来创建我们的内部Schnorr签名来签署交易。这允许基于智能合约的钱包与zkSync2.0进行交互,而无需发送L1消息的额外费用。

存储效率提升

每个块仅应用一次存储槽覆盖。这意味着如果多个用户与单个AMM合约交互,则AMM合约的存储槽将仅被覆盖一次。这允许定序器在以后向用户退还单次写入的共享成本。

预编译

「预编译」机制已计划好,但稍后会发布。我们计划首先支持keccak256、sha256哈希和ECDSA恢复原语。可以根据需求和复杂性考虑包含其他预编译,例如Blake2f轮函数。

进一步的限制

zkSync2.0的第一次迭代可能会对每笔交易施加32次智能合约调用的额外限制,直到实施适当的记账机制为止。

执行跟踪将有一个硬限制,但它将与以太坊块大小的当前限制相当,并且不应影响大多数协议。

可能会有更多限制,但我们的目标是在最终版本中将它们减少到绝对最低限度。

深入了解zkSync2.0架构

你可能听说过区块链三难困境,但在扩展以太坊时,还有第四个因素:可编程性。当前所有的扩展解决方案都存在于牺牲一些安全性、分散性和可编程性以实现可扩展性的范围内。zkSync2.0的设计结合了以下2项技术突破,最大限度地发挥了所有4项功能:

zkEVM:为我们与EVM兼容的zkRollup提供动力的引擎,这是唯一支持L1安全性和可靠智能合约的解决方案。

zkPorter:一个链下数据可用性系统,可扩展性比rollups高2个数量级。

由于zkEVM和zkPorter是可互操作和可组合的,zkSync2.0能够显着优于所有其他扩展解决方案。

目前的共识是Eth2数据分片将在2022年底到来,以在不牺牲去中心化的情况下提供指数级更大的数据可用性层。zkSync的zkRollup技术与Eth2数据分片相结合是最终目标,在不牺牲任何4个因素的情况下达到100,000+TPS。

状态树

zkSync2.0状态树覆盖了以太坊的全部160位地址空间。每个帐户将驻留在状态的zkRollup部分或zkPorter部分。zkRollup和zkPorter账户完全一样,除了一个组件:保证数据可用性。zkRollup交易数据通过calldata发布到以太坊,zkPorter交易数据发布到zkSyncGuardian网络,zkSyncToken持有者参与权益证明。

发布数据的地方是成本和安全性之间的权衡。zkPorter交易比汇总交易便宜得多,但它有可能冻结您的资金。然而,zkRollup和zkPorter账户的有效性都是通过零知识证明和以太坊来保证的。也就是说,zkPorter中的资金只能被冻结,不能被盗。

zkRollup和zkPorter账户的互操作性和可组合性让每个用户都有机会成为zkSync中的一等公民。部署在zkRollup端的Uniswap可以通过zkPorter账户访问以换取最低费用。zkSync2.0是一个系统,专为整个金融领域的用户而设计。

密码学

我们的VM,通常称为zkEVM,不是EVM1:1副本,而是旨在能够运行99%的用Solidity编写的合约并保持其相同的行为,例如在恢复和异常期间。同时,编写zkEVM以在电路中高效地产生零知识证明。

这是在我们的证明系统没有任何重大变化的情况下完成的;我们继续将PLONK与自定义门和查找表和以太坊的BN-254曲线一起使用。这是有利的,因为自2020年6月以来,该证明系统已在zkSync1.0以及使用相同证明系统的其他项目中进行了实战测试。

经过数月的努力,我们再次激动地宣布:zkEVM的指令集已经完成并在电路和执行环境中实现。

这里有一个重要的区别:电路和执行环境中的实现是分开的,用于不同的目的。生成执行跟踪的证明并提供见证是电路的工作,但这非常慢。另一方面,执行环境是rust中zkEVM的直接实现,高效且快速。如果我们要依靠电路来生成和执行证明,那么交易的最终确定性将需要数小时。证明生成和简单执行的分离使得zkSync上的交易能够即时结算。

接下来,我们专注于将zkEVM和编译器结合在一起,并将递归结合在一起:块之间的递归,它允许我们为N个块发布一个证明,块内的递归,它聚合块的不同逻辑部分的子证明.这是简单的部分!自2020年6月以来,zkSync1.0的主网上已经使用了块之间的递归聚合证明。有关块内递归以及我们的zkEVM如何工作的更多信息,请观看此视频说明。

编译器

我们正在同时开发两个针对zkEVM的编译器前端:Yul和Zinc。Yul是一种中间Solidity表示,可以编译为不同后端的字节码。Zinc是我们用于智能合约和通用零知识证明电路的基于Rust的语言。

因为编译器是使用LLVM框架构建的,所以可以认为它具有前端YulLLVMIR和后端LLVMIRzkEVM字节码。采用LLVM带来了几个主要优势:

1、LLVM优化框架无与伦比:它从LLVMIR生成最高效的zkEVM字节码。

2、使用较新版本的Solidity或Zinc,编译器前端将处理所有更改,而LLVM将使我们脱离对编译器后端的更改。

3、将来,如果开发人员想用原生Rust或Javascript编写智能合约,只需构建该语言的编译器前端,智能合约就可以在zkSync中开箱即用。

编译器的安全性对我们来说至关重要,并且已经通过了多套测试:

1、Zinc和Yul编译器中的词法、语法和语义测试。

2、我们对Zinc和Solidity的集成测试贯穿整个智能合约生命周期:从解析源代码到合约部署和在zkSync上执行交易。

3、从Solidity存储库集成的广泛测试套件,并适用于我们的集成测试工具。

每个套件已经包含数千个测试,我们将把这个数字至少增加一个数量级。

我们的2个编译器已经成功部署并执行了两种语言的简单智能合约。但是还有更多的优化需要完成,一些复杂的LLVMIR语句需要翻译成zkEVM字节码。因此,我们决定在编译器处于更强大的状态之前不发布它。

编译器完成后,我们将专注于让Zinc更具表现力和功能丰富,然后构建Rust编译器前端以允许使用原生Rust编写智能合约。

核心基础设施

zkSync2.0核心由几个关键角色组成:

全节点

通过虚拟机实现zkEVM字节码的预电路执行器环境

状态在交易发送后几秒钟内可用

过滤掉可能使区块膨胀的明显不正确的交易

在内存池中执行交易并生成块

证明者

接收区块的见证人并生成零知识证明

用于并行证明生成的证明者接口

自定义证明者自动缩放器,可按需创建和终止证明者机器

交互者

用于观看和与以太坊L1交互的工具,

根据Token价格、ZKP生成成本和L1gas价格计算交易费用

偏执狂监视器

Prometheus、elastic、sentry、uptime、几个独立的事件通知系统和自定义健康检查服务。

这个核心基础设施功能齐全,已经集成了zkEVM执行器!

让我们谈谈

编译器完成后,我们将一起共享对所有组件的访问权限!开发人员将能够部署Solidity/Zinc智能合约并通过Web3API进行交互。

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