Tìm hiểu những sự khác biệt giữa các nền tảng zkEVM

Tổng quan zkEVM

Công nghệ ZKrollup cho phép đặt zkEVM, một phiên bản của máy ảo Ethereum (EVM), trên các nền tảng sử dụng công nghệ ZK, với mục đích bảo vệ quyền riêng tư cho người dùng. Tuy nhiên, việc phát triển công nghệ ZK rất khó khăn.

Giống như các nền tảng khác tương thích với Ethereum như BNB Chain, Polygon, Avax C-chain, Fantom… zkEVM giúp các nhà phát triển sử dụng ngôn ngữ Solidity trên Ethereum dễ dàng phát triển các ứng dụng phi tập trung trên các nền tảng ZK mà không cần phải chỉnh sửa mã nguồn quá nhiều.

Mức độ chỉnh sửa tùy thuộc vào sự tương thích giữa zkEVM và Ethereum. Vitalik đã chia zkEVM thành 5 loại dựa trên mức độ tương thích. Vậy các loại zkEVM này khác nhau như thế nào? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong phần tiếp theo của bài viết.

Loại 1 

zkEVM loại 1 tương đương hoàn toàn với Ethereum, không làm thay đổi bất kỳ thành phần nào của hệ thống Ethereum nhằm tạo sự dễ dàng trong việc tạo bằng chứng. Loại này không thay thế hàm băm, trạng thái, phí giao dịch hoặc bất kỳ quy tắc logic nào mà không được đồng thuận trước.

Ưu điểm

Mục tiêu của zkEVM là có thể xác minh các khối Ethereum như hiện tại hoặc ít nhất là xác minh phía lớp thực thi, bao gồm việc thực hiện giao dịch, hợp đồng thông minh và logic tài khoản, nhưng không bao gồm beacon chain consensus logic.

zkEVM loại 1 giúp tăng khả năng mở rộng cho Layer 1 Ethereum. Trong dài hạn, các sửa đổi thử nghiệm trong zkEVM loại 2 hoặc loại 3 có thể dễ dàng được đưa vào Ethereum, nhưng việc cấu trúc lại có thể gây phức tạp.

Loại zkEVM này cũng lý tưởng cho các bản rollups, vì chúng cho phép các bản rollups sử dụng lại hầu hết cơ sở hạ tầng của Ethereum. 

Nhược điểm

Ban đầu, Ethereum không được thiết kế để tích hợp ZK một cách hiệu quả, do đó nhiều phần của giao thức đòi hỏi một lượng tính toán lớn để tạo bằng chứng ZK. Tuy nhiên, zkEVM loại 1 chỉ đơn giản là sao chép Ethereum mà không giải quyết được vấn đề này. Vào thời điểm hiện tại, việc tạo bằng chứng cho các khối Ethereum mất nhiều giờ đồng hồ. Một số kỹ thuật thông minh, chẳng hạn như đồng bộ hóa song song hoặc sử dụng ASIC ZK-SNARK (được phát triển), có thể giúp giảm thiểu vấn đề này.

Những dự án xây dựng với zkEVM loại 1

zkEVM loại 1 là phiên bản của zkEVM được phát triển bởi cộng đồng, bao gồm đội ngũ Privacy và Scaling Explorations, đội ngũ Scroll, Taiko và nhiều người khác.

Loại 2

zkEVM loại 2 là một phiên bản tương đương với EVM, tuy nhiên không tương đương với Ethereum hoàn toàn. Chúng được thiết kế để tương thích hoàn toàn với các ứng dụng hiện có trên Ethereum, nhưng yêu cầu một số sửa đổi nhỏ để cải thiện hiệu suất xác minh bằng chứng. Một số khác biệt có thể được thấy ở cấu trúc dữ liệu, chẳng hạn như cấu trúc khối và trạng thái. Tuy nhiên chúng vẫn giữ nguyên các hàm băm, phí giao dịch và các logic không đồng thuận khác của Ethereum.

Ưu điểm

Cấu trúc dữ liệu chứa trạng thái của Ethereum được thay đổi trong zkEVM loại 2. Mặc dù các ứng dụng hoạt động trên Ethereum vẫn có thể hoạt động trên zkEVM loại 2, các nhà phát triển không thể sử dụng các máy khách thực thi Ethereum nguyên bản mà cần phải sửa đổi chúng để sử dụng. Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ khi các ứng dụng xác minh bằng chứng Merkle bị phá vỡ do zkEVM thay thế hàm băm Keccak bằng hàm băm khác. Để tránh sự cố này, các nhà phát triển nên tránh xây dựng các ứng dụng như vậy và thay vào đó nên sử dụng các bản biên dịch được bổ sung trước đó trên Ethereum để truy cập lịch sử bằng chứng.

Nhược điểm

Các zkEVM loại 2 được cải tiến để cung cấp thời gian chứng minh nhanh hơn loại 1 bằng cách loại bỏ các phần không cần thiết của ngăn xếp Ethereum dựa trên mật mã phức tạp và không thân thiện với ZK. Họ có thể sử dụng một hàm băm khác, chẳng hạn như Poseidon, thay vì cây Merkle Patricia và RLP của Ethereum, và cấu trúc khối và biên nhận cũng có thể được thay đổi. Tuy nhiên, các sửa đổi này không giải quyết hoàn toàn các vấn đề về tính hiệu quả và tính không thân thiện với ZK của EVM, đặc biệt là trong việc chứng minh EVM nguyên trạng.

Dự án đang xây dựng với zkEVM loại 2

Scroll đang phát triển dự án zkEVM với mục tiêu là tạo ra một ZK-EVM loại 2, tương tự như Polygon Hermez. Hiện tại, tuy nhiên, dự án này chưa đạt được ZK-EVM loại 2.

Loại 2.5

Để cải thiện thời gian chứng minh trong trường hợp tệ nhất, một phương pháp khác là tăng chi phí gas cho các hoạt động chứng minh ZK trong EVM, có thể liên quan đến tiền biên dịch, opcode KECCAK hoặc các mẫu gọi hợp đồng cụ thể, truy cập bộ nhớ, bộ lưu trữ hoặc hoàn nguyên.

Tuy nhiên, việc thay đổi chi phí gas có thể làm giảm tính tương thích của công cụ cho các nhà phát triển và gây hỏng một số ứng dụng. Mặc dù vậy, giải pháp này thường được xem là ít rủi ro hơn so với việc thay đổi sâu hơn trên EVM.

Một phương pháp khác để quản lý các ràng buộc tài nguyên là đặt các giới hạn cứng về số lần hoạt động có thể được gọi. Tuy nhiên, điều này dễ thực hiện hơn trong các mạch, nhưng hoạt động kém hiệu quả hơn nhiều với các giả định bảo mật trên EVM.

Loại 3

Để cải thiện thời gian chuẩn hóa và tăng khả năng phát triển của EVM, zkEVM loại 3 đã hy sinh một chút độ chính xác để gần như tương đương với EVM.

Ưu điểm

Những tính năng đặc biệt khó triển khai trong ZK-EVM có thể được loại bỏ trong zkEVM loại 3. Hơn nữa, zkEVM loại 3 có thể có những khác biệt nhỏ trong việc xử lý mã hợp đồng, bộ nhớ hoặc ngăn xếp so với ZK-EVM.

Nhược điểm

Công tác phát triển zkEVM Loại 3 nhằm đạt được mục tiêu là đảm bảo tính tương thích với hầu hết các ứng dụng và chỉ yêu cầu thay đổi tối thiểu cho phần còn lại. Tuy nhiên, có thể sẽ có một số ứng dụng cần phải viết lại vì chúng sử dụng các bản biên dịch không tương thích với zkEVM Loại 3.

Dự án xây dựng với zkEVM loại 3

Hiện tại, cả Scroll và Polygon đều là phiên bản zkEVM loại 3. Tuy nhiên, chúng được mong đợi sẽ cải thiện khả năng tương thích trong tương lai. Polygon có một thiết kế độc đáo bằng cách sử dụng ngôn ngữ nội bộ của riêng họ được gọi là zkASM để xác minh ZK và diễn giải mã zkEVM.

Tuy nhiên, hiện nay không có nhóm zkEVM nào mong muốn trở thành phiên bản loại 3, bởi vì loại 3 chỉ đơn giản là một giai đoạn chuyển tiếp cho đến khi công việc phức tạp hơn về biên dịch kết thúc và dự án có thể chuyển sang loại 2.5. Tuy nhiên, trong tương lai, phiên bản zkEVM loại 1 hoặc loại 2 có thể tự nguyện trở thành phiên bản zkEVM loại 3 bằng cách bổ sung các bản biên dịch thân thiện hơn với zk-SNARK mới.

Loại 4

Phương thức hoạt động của hệ thống zkEVM loại 4 là bằng cách chuyển đổi mã nguồn hợp đồng thông minh được viết bằng ngôn ngữ cấp cao (ví dụ như Solidity, Vyper hoặc một số ngôn ngữ trung gian) thành một số ngôn ngữ được thiết kế rõ ràng để thân thiện với zk-SNARK.

Ưu điểm

Bằng cách khai thác các lợi ích của việc bắt đầu thực thi từ mã cấp cao hơn, bạn có thể tránh được nhiều chi phí liên quan đến việc chứng minh ZK trong các bước thực thi EVM. Việc biên dịch trực tiếp từ các ngôn ngữ cấp cao có thể giảm thiểu đáng kể chi phí và hỗ trợ phân cấp bằng cách làm cho việc trở thành người chứng minh dễ dàng hơn.

Nhược điểm

Mặc dù các ứng dụng viết bằng Vyper hoặc Solidity có thể được biên dịch và hoạt động bình thường trong zkEVM loại 4, nhưng có một số trường hợp mà chúng không hoạt động như mong muốn:

• Địa chỉ của các hợp đồng được tạo bởi CREATE2 phụ thuộc vào mã byte chính xác, do đó chúng có thể không có cùng địa chỉ trong zkEVM loại 4 như trong EVM. Điều này làm cho một số ứng dụng đối chứng chưa triển khai như ERC-4337 hay EIP-2470 không hoạt động được trong zkEVM loại 4.
• Viết mã byte EVM thủ công có thể khó sử dụng hơn, nhưng nhiều ứng dụng sử dụng nó để đạt hiệu quả. Tuy nhiên, zkEVM loại 4 không hỗ trợ mã byte EVM thủ công. Mặc dù có nhiều cách để triển khai hỗ trợ mã byte EVM hạn chế nhằm đáp ứng các trường hợp sử dụng này mà không cần nỗ lực trở thành zkEVM loại 3.
• Rất nhiều cơ sở hạ tầng gỡ lỗi chạy trên mã byte EVM, do đó sẽ có hạn chế trong việc sử dụng chúng trong zkEVM loại 4. Tuy nhiên, có thể giảm thiểu nhược điểm này bằng cách truy cập vào cơ sở hạ tầng gỡ lỗi từ các ngôn ngữ trung cấp hoặc cấp cao hơn như LLVM.

Dự án xây dựng với zkEVM loại 4

ZKSync hiện đang được phát triển như là một hệ thống Loại 4, tuy nhiên, nó có thể cải thiện khả năng tương thích của mã byte EVM theo thời gian. Ngoài ra, dự án Warp của Nethermind đang xây dựng một trình biên dịch từ Solidity đến Cairo của Starkware, có thể biến StarkNet thành một hệ thống Loại 4 trên thực tế.

Tương lai của các loại zkEVM

Các loại zkEVM có ưu và nhược điểm khác nhau, tùy vào sự đánh đổi giữa tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có và tốc độ xử lý. Một số loại có số thứ tự thấp hơn tương thích tốt hơn với cơ sở hạ tầng hiện có nhưng chậm hơn, trong khi các loại có số thứ tự cao hơn ít tương thích hơn nhưng nhanh hơn.

Các dự án zkEVM có thể bắt đầu với loại có số thứ tự cao hơn và chuyển sang loại có số thứ tự thấp hơn theo thời gian. Tuy nhiên, Vitalik hi vọng rằng tất cả các loại zkEVM sẽ trở thành loại 1 trong tương lai thông qua sự kết hợp của cải tiến zkEVM và Ethereum để làm cho Ethereum thân thiện hơn với zk-SNARK.

Trong tương lai đó, có thể sử dụng nhiều zkEVM khác nhau cho các bản tổng hợp ZK và để xác minh chính chuỗi Ethereum. Ethereum không cần phải chuẩn hóa trên một zkEVM cụ thể, mà các khách hàng khác nhau có thể sử dụng các bằng chứng khác nhau.

Tuy nhiên, để đạt được tương lai như vậy sẽ mất khá nhiều thời gian. Trong khi đó, các giải pháp khác nhau như mở rộng quy mô Ethereum và zkRollup trên Ethereum sẽ tiếp tục được phát triển để giải quyết các thách thức hiện tại của blockchain.

Lời kết

Các dự án đang chạy đua để phát triển công nghệ zkEVM nhanh nhất có thể để mở rộng Ethereum trong tương lai. Mặc dù công nghệ này đang tiềm năng phát triển mạnh mẽ, nhưng hiện tại nó vẫn còn trong giai đoạn phát triển và nhiều thách thức cần phải được vượt qua trước khi có thể áp dụng rộng rãi.