zkEVM 技術比較與 Layer 2 生態演進

概述

零知識證明（Zero-Knowledge Proof）與以太坊虛擬機器（EVM）的結合，代表了 Layer 2 擴容技術的重大突破。zkEVM 不僅能實現高效的交易處理，還能繼承以太坊主網的安全性，成為當前區塊鏈擴容最受矚目的技術方向之一。本文深入分析主流 zkEVM 實現的技術差異、跨鏈橋風險、資料可用性機制，以及未來發展趨勢。

zkEVM 技術基礎

什麼是 zkEVM？

zkEVM 是一種運行 EVM 相容智慧合約的 Layer 2 網路，同時使用零知識證明來驗證狀態轉換的正確性。其核心價值在於：

1. 可驗證性：任何人都可以驗證 zk 證明的正確性
2. 最終性：證明生成後，狀態即為最終狀態
3. 安全性：繼承以太坊主網的安全性
4. 效率：大幅降低主網 Gas 成本

zkSNARK 與 zkSTARK

零知識證明主要有兩大技術陣營：

zkSNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge）

// 簡化的 zkSNARK 概念
contract ZKSNARKVerifier {
    function verifyProof(
        uint256[2] memory a,
        uint256[2][2] memory b,
        uint256[2] memory c,
        uint256[3] memory input
    ) public view returns (bool) {
        // 驗證 zk-SNARK 證明
        // input[0] = hash(public input)
        // input[1] = output
        // input[2] = gas used
    }
}

特點：

• 證明體積小（~288 bytes）
• 驗證速度快
• 需要可信設置（Trusted Setup）
• 受量子計算威脅

zkSTARK（Zero-Knowledge Scalable Transparent Arguments of Knowledge）

特點：

• 無需可信設置
• 量子抗性
• 透明（Transparent）
• 證明體積較大
• 驗證時間較長

zkEVM 的運作原理

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                   以太坊主網                         │
│  ┌─────────────────────────────────────────────┐   │
│  │         儲存 zk Rollup 狀態根                │   │
│  │    驗證 zk 證明（Verkle 樹或 Merkle 樹）      │   │
│  └─────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
                          ▲
                          │ 批量交易 + zk 證明
                          │
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                   zkEVM Layer 2                     │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────┐ │
│  │  交易排序器   │→ │    EVM 執行   │→ │  ZK 證明 │ │
│  │  (Sequencer) │  │   (Executor)  │  │  生成器  │ │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └──────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

主流 zkEVM 實現比較

1. zkSync Era

技術架構

zkSync Era 由 Matter Labs 開發，採用自行設計的 zkEVM：

• zkEVM 類型：Type 4（完全相容 Solidity）
• 證明系統：自研 Boojum（zkSNARK）
• 資料可用性：Validium（鏈下 DA）

// zkSync Era 的優先存款合約
interface IPriorityQueue {
    function enqueue(bytes32 _data) external;
    function dequeue() external returns (bytes32 data, uint256 expirationBlock);
}

特色功能

1. 帳戶抽象原生支援：內建 EIP-4337
2. ZK 哨兵（ZK Stack）：支援自定義 ZK Rollup
3. 原生 AA：帳戶即智慧合約

性能指標

2. Starknet

技術架構

Starknet 由 StarkWare 開發，採用 Cairo 語言：

• zkEVM 類型：Type 1（完全等效以太坊）
• 證明系統：zkSTARK（Stone）
• 證明驗證：STARK Verifier

// Cairo 語言語法範例
func add{a: felt}(x: felt, y: felt) -> (res: felt) {
    return (res = x + y);
}

#[external]
func mint_tokens{syscall_ptr: felt*, pedersen_ptr: HashBuiltin*, range_check_ptr}(
    to: felt,
    amount: felt
) {
    // mint 邏輯
    return ();
}

特色功能

1. Cairo 語言：專為 ZK 設計的程式語言
2. StarkEx：專業的 Rollup 即服務
3. 量子抗性：使用 zkSTARK

性能指標

3. Polygon zkEVM

技術架構

Polygon zkEVM 由 Polygon Labs 開發，目標是完全 EVM 相容：

• zkEVM 類型：Type 2（高度 EVM 等效）
• 證明系統：zkSNARK + zkSTARK 混合
• 語言：Solidity 完全相容

// Polygon zkEVM 的橋接合約
interface IPolygonZkEVMBridge {
    function bridgeAsset(
        uint32 destinationNetwork,
        address destinationAddress,
        uint256 amount,
        address token,
        bool forceUpdateGlobalExitRoot
    ) external payable;

    function verifyBatchProof(
        bytes32 pendingStateNum,
        bytes32 initInputHash,
        bytes32 finalAccInputHash,
        uint256[16] calldata proof
    ) external;
}

特色功能

1. EVM 等效：完全支援以太坊工具鏈
2. 混合證明：結合兩種 zk 技術
3. 去中心化驗證：支持任何人運行驗證節點

性能指標

4. Scroll

技術架構

Scroll 由 Scroll Tech 開發：

• zkEVM 類型：Type 2.5（接近 EVM 等效）
• 證明系統：zkSNARK（Groth16）
• 架構：CentChain 協調

// Scroll 的 Rollup 合約
interface IScrollRollup {
    function commitBatch(
        uint256 batchIndex,
        bytes calldata parentBatchHeader,
        bytes[] calldata chunks,
        bytes calldata skippedL1MessageBitmap
    ) external;

    function finalizeBatch(
        RollupLib.BatchHeader memory batchHeader,
        bytes memory prevBatchAccInputHash,
        bytes memory postBatchAccInputHash,
        uint256[8] memory proof
    ) external;
}

特色功能

1. Preethi 編譯器：EVM → zkEVM
2. 硬體加速：GPU/ASIC 加速證明生成
3. 活躍驗證者：去中心化證明參與

5. 綜合比較表

跨鏈橋風險分析

跨鏈橋基本機制

Layer 2 跨鏈橋是用戶資產進出 zkEVM 的主要方式：

┌─────────────┐     存款      ┌─────────────┐
│  以太坊主網  │ ──────────→ │   zkEVM     │
│             │              │             │
│  鎖定代幣   │ ←────────── │   mint 代幣 │
└─────────────┘     提款      └─────────────┘

風險類型

1. 智慧合約漏洞

歷史上重大跨鏈橋安全事故：

// 安全的多重簽名實現
contract SecureMultiSig {
    mapping(bytes32 => ConfirmData) public confirmations;
    uint256 public required;

    function confirmTransaction(bytes32 txHash) external {
        require(isOwner[msg.sender]);
        require(!isConfirmed[txHash][msg.sender]);

        confirmations[txHash].count++;
        isConfirmed[txHash][msg.sender] = true;

        if (confirmations[txHash].count >= required) {
            executeTransaction(txHash);
        }
    }
}

2. 資料可用性風險

Validium 模式下，資料儲存在鏈下：

• 營運商可能拒絕提供資料
• 資料可能丢失
• 審查風險

// 資料可用性挑戰機制
interface IDataAvailabilityChallenge {
    function challengeDataAvailability(
        uint256 batchNumber,
        bytes32 dataHash,
        bytes calldata challengedData
    ) external;

    function verifyChallenge(
        uint256 challengeId
    ) external returns (bool);
}

3. 中心化風險

許多 zkEVM 初期採用中心化排序器：

• 單一故障點
• 審查能力
• MEV 提取

4. 橋接資產對沖風險

穩定幣橋接需要足夠流動性：

// 流動性池風險管理
contract BridgeLiquidityPool {
    function swap(
        address tokenIn,
        address tokenOut,
        uint256 amountIn,
        uint256 minAmountOut
    ) external returns (uint256 amountOut) {
        require(liquidity[tokenIn] >= amountIn, "Insufficient liquidity");
        require(poolEnabled, "Pool disabled");

        // 滑點保護
        uint256 rate = getRate(tokenIn, tokenOut);
        amountOut = amountIn * rate / 1e18;
        require(amountOut >= minAmountOut, "Slippage exceeded");

        // 更新流動性
        liquidity[tokenIn] += amountIn;
        liquidity[tokenOut] -= amountOut;
    }
}

風險緩解策略

多重簽名與門檻簽名

// 門檻簽名實現
contract ThresholdSignature {
    uint256 public threshold;
    uint256 public totalSigners;

    function submitSignature(bytes memory signature) external {
        require(isValidSigner(msg.sender));
        require(!hasSigned[msg.sender][txHash]);

        signatures.push(signature);
        hasSigned[msg.sender][txHash] = true;

        if (signatures.length >= threshold) {
            executeTransaction(txHash);
        }
    }
}

樂觀挑戰機制

// 樂觀挑戰合約
contract OptimisticChallenge {
    uint256 public challengePeriod = 7 days;

    function verifyState(uint256 batchNumber) external {
        // 任何人可以在挑戰期內挑戰狀態
        // 如果挑戰成功，排序器需提供 DA
    }
}

資料可用性（Data Availability）

資料可用性的重要性

資料可用性（Data Availability，DA）是區塊鏈系統的關鍵屬性：

• 確保任何人都能驗證狀態
• 防止審查
• 實現無需信任的提款

DA 儲存方案比較

1. 鏈上 DA（Calldata）

// 將交易資料寫入 calldata
contract OnChainDA {
    event DataStored(bytes32 dataHash, uint256 batchIndex);

    function storeBatch(bytes[] memory transactions) external {
        bytes32 dataHash = keccak256(abi.encode(transactions));

        // calldata 會被以太坊節點存儲
        emit DataStored(dataHash, batchIndex);

        // 狀態根
        bytes32 stateRoot = processTransactions(transactions);
        emit StateRoot(stateRoot, batchIndex);
    }
}

優點：

• 最安全（繼承以太坊共識）
• 完全去中心化

缺點：

• Gas 成本高
• 容量有限

2. Validium（鏈下 DA）

// Validium 合約
contract Validium {
    bytes32 public currentDataAvailabilityRoot;

    function verifyDataAvailabilityProof(
        uint256 batchIndex,
        bytes32 dataRoot,
        bytes[] memory dataChunks,
        bytes calldata proof
    ) external {
        // 驗證資料確實可用
    }
}

優點：

• 成本低
• 容量大

缺點：

• 需要信任 DA 層
• 中心化風險

3. 数据可用性层（DAL）

專門的 DA 解決方案：

// 與外部 DA 層整合
interface IDataAvailabilityLayer {
    function storeData(bytes calldata data) external returns (bytes32 dataRoot);
    function retrieveData(bytes32 dataRoot) external view returns (bytes memory data);
}

DA 挑戰與罰沒機制

contract DAChallenge {
    struct Challenge {
        uint256 batchNumber;
        bytes32 claimedRoot;
        address challenger;
        uint256 bond;
        bool resolved;
    }

    function submitChallenge(
        uint256 batchNumber,
        bytes32 claimedRoot
    ) external payable {
        require(msg.value >= MIN_BOND);

        challenges[challengeCount] = Challenge({
            batchNumber: batchNumber,
            claimedRoot: claimedRoot,
            challenger: msg.sender,
            bond: msg.value,
            resolved: false
        });
    }

    function resolveChallenge(uint256 challengeId) external {
        Challenge storage c = challenges[challengeId];

        // 排序器需在時限內提供資料
        // 否則挑戰成功，押金被罰沒
    }
}

zkEVM 發展趨勢

1. 去中心化排序器

當前 zkEVM 多數採用中心化排序器，未來趨勢是去中心化：

// 去中心化排序器合約
contract DecentralizedSequencer {
    // PoS 機制選擇排序器
    function selectSequencer() external view returns (address) {
        uint256 random = block.prevrandao;
        uint256 index = random % activeValidators.length;
        return validators[index];
    }

    // 驗證者獎勵
    function distributeRewards() external {
        // 按工作量分配獎勵
    }
}

2. 證明生成加速

GPU 加速

# CUDA 加速 ZK 證明生成
# 吞吐量提升 5-10x

ASIC 專用晶片

• 證明生成成本降低 10-100x
• 集中化風險需關注

3. 跨 Rollup 通信

// 跨 Rollup 消息傳遞
interface ICrossRollupMessenger {
    function sendMessage(
        uint256 destinationChainId,
        address destinationContract,
        bytes calldata message
    ) external payable;

    function processMessage(bytes calldata message, bytes calldata proof) external;
}

4. 並行執行

傳統 EVM 串行執行限制了 TPS：

// 並行交易處理
contract ParallelExecutor {
    function executeParallel(
        Transaction[] memory txs,
        uint256[] memory senderNonces
    ) external {
        // 識別獨立的交易
        // 在不同執行環境並行處理
    }
}

開發者指南

部署合約到 zkEVM

import { ethers } from 'ethers';
import { ZkSyncEthersProvider } from 'zksync-ethers';

async function deployTozkSync() {
    const provider = new ZkSyncEthersProvider('mainnet', 'https://zksync-era-rpc.publicnode.com');
    const wallet = new ethers.Wallet(privateKey, provider);

    const factory = new ethers.ContractFactory(
        artifact.abi,
        artifact.bytecode,
        wallet
    );

    const contract = await factory.deploy();
    await contract.deployed();

    console.log(`Deployed to: ${contract.address}`);
}

跨鏈橋資產

// 使用官方橋接
import { ZkSyncBridge } from 'zksync-ethers';

async function bridgeETH(amount: string) {
    const ethereumProvider = new ethers.JsonRpcProvider(ETHEREUM_RPC);
    const zkProvider = new ZkSyncEthersProvider('mainnet', ZKSYNC_RPC);

    const ethWallet = new ethers.Wallet(privateKey, ethereumProvider);

    // 存款到 zkSync
    const l1Bridge = new ethers.Contract(
        L1_ETH_BRIDGE_ADDRESS,
        L1_ETH_BRIDGE_ABI,
        ethWallet
    );

    const tx = await l1Bridge.deposit({
        value: ethers.parseEther(amount)
    });
    await tx.wait();
}

調試與測試

// 本地 zkEVM 測試環境
import { zkSyncLocal } from 'hardhat';

describe('NFT Contract', () => {
    it('should mint NFT correctly', async () => {
        const [owner, user] = await ethers.getSigners();

        const nft = await ethers.deployContract('MyNFT', [owner.address]);
        await nft.mint(user.address, 'ipfs://...');

        expect(await nft.balanceOf(user.address)).to.equal(1);
    });
});

經濟模型分析

費用結構

收益分配

contract FeeDistributor {
    function distributeFees() external {
        uint256 total = address(this).balance;

        // 驗證者獎勵
        uint256 validatorReward = (total * VALIDATOR_SHARE) / 100;
        validatorPool.transfer(validatorReward);

        // 排序器獎勵
        uint256 sequencerReward = (total * SEQUENCER_SHARE) / 100;
        sequencerPool.transfer(sequencerReward);

        // 國庫
        uint256 treasuryReward = total - validatorReward - sequencerReward;
        treasury.transfer(treasuryReward);
    }
}

安全性考量

合約審計清單

部署到 zkEVM 前應檢查：

1. 重入保護

• [ ] 所有外部調用使用 checks-effects-interactions 模式
• [ ] 使用 ReentrancyGuard

1. 整數安全

• [ ] 使用 SafeMath 或 Solidity 0.8+
• [ ] 處理邊界條件

1. 存取控制

• [ ] 正確實現 Ownable/AccessControl
• [ ] 敏感函數有權限檢查

1. 預言機安全

• [ ] 使用多個數據源
• [ ] 設定價格偏差閾值

橋接安全最佳實踐

contract SecureBridge {
    // 時間鎖
    uint256 public delay = 2 days;

    // 待執行的橋接請求
    mapping(bytes32 => bool) public pendingRequests;

    // 延遲執行
    function executeBridgeRequest(
        bytes32 requestId,
        bytes calldata data,
        bytes calldata signature
    ) external afterDelay(requestId) {
        require(verifySignature(requestId, data, signature));
        // 執行橋接
    }

    modifier afterDelay(bytes32 requestId) {
        require(pendingRequests[requestId]);
        _;
        delete pendingRequests[requestId];
    }
}

總結

zkEVM 代表了區塊鏈擴容技術的重要突破，不同實現各有優勢：

• zkSync Era：帳戶抽象先驅，生態成熟
• Starknet： Cairo 生態，技術創新
• Polygon zkEVM：EVM 相容性最佳
• Scroll：硬體加速，快速發展

選擇 zkEVM 時應考慮：

1. 應用場景需求
2. EVM 相容程度
3. 去中心化程度
4. 費用成本
5. 生態工具成熟度

隨著技術成熟與去中心化推進，zkEVM 將在以太坊擴容中扮演核心角色，推動大規模應用落地。