Wat is een zkEVM?
Basics
Door compatibiliteit met zero-knowledge proof (ZKP)-technologie mogelijk te maken, functioneert de zero-knowledge Ethereum Virtual Machine (zkEVM) als een Ethereum-staatmachine en faciliteert het de uitvoering van smart contracts. De integratie van zkEVMs vergroot het toepassingsgebied van zero-knowledge rollups (zk-rollups) op het Ethereum-netwerk met gedecentraliseerde applicaties (DApps). Deze ontwikkeling vereenvoudigt de uitrol van Ethereum-projecten, zowel bestaande als nieuwe, door ZKPs te benutten om de mogelijkheden van het Ethereum-ecosysteem te versterken.
Toen het Ethereum-netwerk in 2014 oorspronkelijk werd voorgesteld, hielden de oorspronkelijke ontwikkelaars geen rekening met zero-knowledge proof-technologie. Desalniettemin heeft ZKP in de afgelopen jaren veel aandacht gekregen en wordt verwacht dat het een grotere rol zal gaan spelen in de blockchainwereld. Als gevolg daarvan is er een toename van inspanningen om ZKP-technologie met de Ethereum virtual machine te integreren.
Om de essentie van een zkEVM te begrijpen, is het nodig een beknopt overzicht te geven van de twee fundamentele principes: zk-rollups en de EVM.
Wat zijn zk-rollups?
Rollups dienen als een schaaloplossing die de doorvoer verhoogt en transactiekosten verlaagt door meerdere transactie-executies buiten de main chain samen te voegen en de data als één enkele transactie naar het hoofdnetwerk te verzenden.
Binnen het Ethereum-ecosysteem worden rollup-transacties gecomprimeerd en vervolgens naar de Ethereum-mainnet gestuurd voor verificatie tegen de prijs van één enkele transactie. Het Ethereum-mainnet fungeert als afwikkelingslaag en verifieert de transactiedata die in de rollup zijn opgenomen.
Een specifieke variant van rollups, bekend als zk-rollups, maakt gebruik van zero-knowledge proof-technologie. ZKP-technologie maakt het mogelijk de geldigheid van informatie te verifiëren zonder de informatie zelf vrij te geven. In het geval van zk-rollups is het niet nodig om alle transactiegegevens op het Ethereum-mainnet te publiceren; in plaats daarvan volstaan alleen toestandsverschillen, zoals wijzigingen in de gebruikersaccounts, samen met geldigheidsbewijzen. Deze aanpak vermindert de gaskosten aanzienlijk.
De beveiliging van zk-rollups is gebaseerd op ZKP-cryptografie, die cryptografische mechanismen gebruikt om bewijzen te verifiëren en trustlessness te waarborgen. Dit staat in contrast met andere rollup-implementaties, zoals optimistic rollups, die voor hun veiligheid leunen op economische speltheorie. Bij optimistic rollups worden kwaadwillenden ontmoedigd door potentiële verliezen, terwijl challengers worden gemotiveerd door prikkels.
Wat is de EVM?
Binnen Ethereum functioneert de Ethereum Virtual Machine (EVM) als een staatmachine die de werking van het Ethereum-accountstelsel en de uitvoering van smart contracts mogelijk maakt. Elke uitvoering van een smart contract brengt de EVM ertoe over te gaan van een oude staat naar een nieuwe staat, volgens vooraf gedefinieerde regels voor het berekenen van geldige staten tussen blocks.
Het begrip staat is van groot belang in het Ethereum-ecosysteem. Het wordt weergegeven door een Merkle Patricia Trie-datastructuur, die fungeert als een momentopname van de huidige staat van Ethereum. Deze structuur maakt het mogelijk transactiegegevens te traceren vanaf het huidige block helemaal terug naar het genesis-block.
De gezamenlijke inspanning van alle deelnemende nodes bij het onderhouden van Ethereum zorgt voor continuïteit en consensus, waardoor elke node zicht heeft op de exacte huidige staat. De EVM speelt hierbij een cruciale rol in het waarborgen van deze consistentie en het beschermen van de integriteit van het Ethereum-netwerk.
How Does a ZkEVM Functionate?
Als oplossing voor het ontbreken van standaardondersteuning voor zero-knowledge proofs in de EVM zorgt een zkEVM voor continuïteit van de Ethereum-staat en biedt het verifieerbare correctheid. Deze aanpak garandeert de validatie van alle betrokken rekenkundige factoren, en bewaart tegelijkertijd veiligheid en privacy.
In het domein van zkEVM wordt de Ethereum-omgeving gerepliceerd vergelijkbaar met zk-rollups. Beginnend bij de initiële staat worden alle transacties verwerkt, wat resulteert in een bijgewerkte staat vergezeld van een bijbehorend ZKP. Dit bewijs wordt vervolgens ingediend bij een verifier smart contract dat verantwoordelijk is voor het valideren van de juistheid van zowel de initiële als de bijgewerkte staatuitkomsten, waardoor individuele transactieverificatie overbodig wordt.
zkEVMs, gebouwd op de basis van de EVM, bieden ontwikkelaars het gemak om Ethereum DApps en smart contracts naadloos naar zkEVMs te porteren zonder zelf ZKP-ontwikkeling te hoeven doen. In wezen breiden zkEVMs de functionaliteit van zk-rollups uit naar de uitvoering van smart contracts, naast de token-swaps en betalingen die eerder zonder zkEVM-integratie werden ondersteund.
Dankzij de compatibiliteitsfunctie afkomstig van de EVM kunnen ontwikkelaars nieuwe producten bouwen met bestaande EVM-tools en de programmeertaal Solidity, terwijl ze profiteren van de verhoogde veiligheid die zkEVM levert. Ook gebruikers ervaren dezelfde voordelen doordat zij vertrouwde DApps en tools blijven gebruiken, nu versterkt met verbeterde veiligheid en privacy.
Distinguishing EVM Compatibility and EVM Equivalence
Wanneer een blockchain als EVM-compatibel wordt bestempeld, betekent dit dat het een omgeving biedt die DApps geschreven in de Solidity-programmeertaal kan hosten, specifiek ontworpen voor Ethereum-smartcontractontwikkeling.
In feite kunnen Ethereum-ontwikkelaars bestaande DApp-code naadloos verschuiven van Ethereum naar andere EVM-compatibele ketens met minimale aanpassingen. Voor gebruikers is een adres op een EVM-compatibele keten niet te onderscheiden van hun Ethereum-adres.
Dientengevolge zijn deze adressen compatibel met populaire wallets zoals Metamask en Trust Wallet. Opvallende EVM-compatibele ketens op dit moment zijn onder andere BNB Chain, Avalanche C-Chain en Polygon.
Het is essentieel om EVM-compatibiliteit niet te verwarren met EVM-equivalentie. EVM-equivalentie houdt in dat, vanuit het perspectief van een DApp-ontwikkelaar, Layer 2 rollups sterk lijken op Layer 1 Ethereum. Om dit te illustreren met een besturingssysteemanalogie: EVM-equivalentie is vergelijkbaar met het herstellen van bestanden en instellingen via Apple iCloud bij het overstappen van een oude naar een nieuwe Apple-computer.
In contrast betekent EVM-compatibiliteit dat wanneer men overschakelt naar een Windows-systeem op een nieuwe computer, de originele bestanden via cloudopslag moeten worden gehaald en geconverteerd om voorkeuren en oude bestanden te herstellen.
Categorizing zkEVMs: Balancing Efficiency and Compatibility
Efficiënte generatie en verificatie van ZKPs met behulp van de EVM is een uitdaging vanwege het ontbreken van ingebouwde ZKP-ondersteuning in Ethereum. Het proces kan buitengewoon traag zijn, met mogelijke duur van meerdere uren. Desalniettemin blijft het cruciaal een balans te vinden tussen EVM-compatibiliteit en ZKP-efficiëntie.
Vitalik Buterin, de oprichter van Ethereum, heeft zkEVMs ingedeeld in vier verschillende types, elk met unieke afwegingen met betrekking tot ZKP-prestatie-efficiëntie en EVM-compatibiliteit. Deze classificaties weerspiegelen het concept van het blockchain-trilemma, dat de inherente afwegingen tussen decentralisatie, veiligheid en schaalbaarheid benadrukt.
Type 1: Consensus-Level Equivalence
Type 1 zkEVM, ook wel enshrined rollup genoemd, bereikt volledige equivalentie met Ethereum op consensusniveau. De zkEVM-ketenstaat en transacties spiegelen die van Ethereum, waardoor wederzijdse blockverificatie en directe integratie met Ethereum-executieclients mogelijk zijn. Hoewel dit type de schaalbaarheid van Ethereum verbetert, blijft ZKP-efficiëntie een significant nadeel, omdat verificatie aanzienlijke rekenkracht vereist. Mogelijke oplossingen omvatten het inzetten van grootschalige parallelle validators of gespecialiseerde geïntegreerde circuits voor zk-SNARKs.
Type 2: Bytecode-Level Equivalence
Type 2 zkEVMs bezitten volledige equivalentie met de EVM, maar niet met Ethereum zelf. Terwijl ze compatibiliteit behouden met bestaande Ethereum DApps, debuggingtools en ontwikkelaarsinfrastructuur, optimaliseren Type 2 zkEVMs de prover-tijden tot op zekere hoogte. Hun efficiëntie blijft echter beperkt en kostbaar, en ze missen synergie met ZK-methodologieën.
Type 2.5: Modified Gas Fees
Type 2.5 zkEVMs delen de voor- en nadelen van Type 2, maar bieden iets lagere gaskosten.
Type 3: Bytecode-Level Equivalence With Improved Efficiency
Voortbouwend op Type 2 geven Type 3 zkEVMs prioriteit aan verbeterde ZK-efficiëntie boven volledige compatibiliteit. Om dit te bereiken worden bepaalde functies, zoals precompiles, weggelaten, wat vereist dat DApps die op deze functionaliteiten vertrouwen herschreven moeten worden.
Type 4: Development Language-Level Equivalence
Type 4 zkEVMs tonen optimale ZK-prestaties maar offeren compatibiliteit op het niveau van hoge-niveau programmeertalen op. Hoewel ze superieure efficiëntie bieden, kan hun compatibiliteit met bestaande systemen ondermaats zijn.
Conclusion
De implementatie van zkEVM heeft als hoofddoel ZKP-berekeningen te ondersteunen voor de uitvoering van smart contracts, waardoor DApps worden uitgebreid naar alle EVM-compatibele protocollen. Echter, de toepassingen van ZKP-technologie reiken verder dan dit domein.
ZKP-technologie heeft potentie voor compatibiliteit met Web2-usecases. Door ZKP te combineren met diverse Web2-toepassingen kan de integratie van Web3-applicaties naadloos worden verbeterd, waardoor gebruikers een soepelere en gebruiksvriendelijkere ervaring krijgen. Deze benadering stelt personen die vertrouwd zijn met traditionele internetbrowsers in staat de voordelen van Web3 te benutten, wat uiteindelijk de brede adoptie van het Web3-paradigma zal stimuleren.