探究有效性匯總:zkEVM與Cairo VM的對比分析

有效性匯總(Validity Rollups)被認爲是以安全和去中心化方式提升以太坊吞吐量的最佳選擇。在有效性匯總中,zkEVM和Cairo VM(CVM)是兩種主要使用的虛擬機類型。

zkEVM專注於以太坊兼容性,但犧牲了性能和可擴展性。而Starknet採用的Cairo VM則將性能和可擴展性置於兼容性之上。

有效性匯總的核心是使用有效性證明進行可驗證計算。它們通過將交易執行卸載到鏈下環境(第2層)來工作。第2層操作員處理大量交易後,將結果和驗證鏈下執行完整性的有效性證明返回給以太坊主網。這種方式可以大幅提升以太坊的交易處理能力。

虛擬機(VM)是可以運行程序的環境。zkVM是一種特殊的VM,它能夠生成易於驗證的有效性證明,以證明程序已正確執行。zkEVM通常指可以證明EVM執行的匯總系統。

盡管zkEVM和CVM都旨在通過有效性證明擴展以太坊,但它們在選擇鏈下交易執行VM時存在差異。zkEVM試圖在L2匯總上復制以太坊體驗,而CVM則專爲優化有效性證明效率而設計。

zkEVM的目標是將以太坊開發環境完整地引入二層網路。這使得開發者無需更改代碼或放棄EVM工具就能將智能合約遷移到更具擴展性的解決方案中。然而,這種方法的主要缺點是降低了有效性證明的擴展潛力。由於EVM在設計時並未考慮證明效率,這限制了系統的整體性能優化空間。

EVM的可證明性面臨一些挑戰:

1. EVM採用基於堆棧的模型,而有效性證明更適用於基於寄存器的模型。

2. 以太坊存儲布局嚴重依賴Keccak和大型Merkle Patricia樹,這兩者都不利於生成有效性證明。

因此,不同的zkEVM方案在以太坊工具支持程度上有所不同 - 與以太坊的兼容性越高,性能就越差。

相比之下,Cairo VM採用了全新的專用虛擬機設計,並在其上添加以太坊工具支持作爲附加層。CVM專爲高效生成程序執行的有效性證明而設計,具有以下優勢:

1. 每條指令都有效的代數表示,優化了有效性證明生成。

2. 提供類Rust的高級語言用於編寫可證明程序。

3. 高級Cairo和Cairo匯編之間的中間表示(Sierra)實現高效執行。

Cairo語言簡化了生成描述計算的數學約束的復雜性,使開發者無需了解底層數學即可利用有效性證明擴展應用。

Starknet支持多元化的編碼方法:

1. 直接使用Cairo編寫代碼。

2. 通過Warp轉譯器將Solidity代碼轉換爲Cairo。

3. 在Starknet上運行zkEVM(如Kakarot項目),實現以太坊智能合約的兼容性。

總的來說,zkEVM致力於復制以太坊環境,但限制了有效性證明的全部潛力。Cairo VM則專爲有效性證明系統設計,不受EVM限制,可實現更高效率的以太坊擴展。隨着Cairo生態系統的快速發展,開發者現在擁有多種選擇來擴展區塊鏈應用。