Wichtige Erkenntnisse

  • Ein zkEVM ist eine Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine, die Smart Contracts auf eine Weise ausführen kann, die mit der Zero-Knowledge-Proof (ZKP)-Technologie kompatibel ist.

  • zkEVMs erweitern zk-Rollups auf Ethereum, um dezentrale Anwendungen (DApps) zu unterstützen, nicht nur einfache Token-Transfers.

  • Entwickler können bestehende Ethereum DApps und Smart Contracts zu einem zkEVM portieren, ohne die Zero-Knowledge-Kryptographie lernen zu müssen.

  • zkEVMs werden in vier Haupttypen kategorisiert, basierend auf dem Kompromiss zwischen EVM-Kompatibilität und ZK-Beweis-Effizienz.

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Einführung

Ethereum-Entwickler haben das Netzwerk nicht mit Zero-Knowledge-Proofs (ZKPs) im Hinterkopf entworfen, als sie das Netzwerk 2014 erstmals vorschlugen. In den Jahren seitdem hat die ZKP-Technologie im Blockchain-Raum erheblich an Schwung gewonnen, und Teams haben hart daran gearbeitet, ZKP-Funktionen zu Ethereum zu bringen.

Das Ergebnis ist das zkEVM, eine Art von virtueller Maschine, die Ethereum-Smart-Contracts ausführen kann, während sie kryptografische Beweise für deren Richtigkeit erzeugt. Dieser Artikel erklärt, was ein zkEVM ist, wie es funktioniert und welche Netzwerke die Technologie in der Praxis umgesetzt haben.

Was sind zk-Rollups?

Ein Rollup ist eine Layer-2-Skalierungslösung, die viele Transaktionen außerhalb des Ethereum-Hauptnetzes verarbeitet und dann eine komprimierte Zusammenfassung als eine einzige Transaktion an Ethereum sendet. Dieser Ansatz erhöht den Durchsatz und senkt die Kosten im Vergleich zur Ausführung jeder Transaktion auf Layer 1.

Ein zk-Rollup ist ein Rollup, das ZKP-Technologie verwendet, um zu beweisen, dass alle Off-Chain-Transaktionen korrekt verarbeitet wurden. Anstatt alle Transaktionsdaten zu veröffentlichen, wird ein Gültigkeitsbeweis zusammen mit einem Zustandsupdate eingereicht. Optimistische Rollups verfolgen einen anderen Ansatz, der auf Betrugsbeweisen und wirtschaftlichen Anreizen anstelle von kryptografischen Garantien beruht.

Frühere zk-Rollups waren auf einfache Operationen wie Token-Transfers beschränkt. Ein zkEVM erweitert dies, um die gesamte Palette der Ausführung von Smart Contracts abzudecken, wodurch zk-Rollups für allgemeine DApps geeignet sind.

Was ist die EVM?

Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist die Laufzeitumgebung innerhalb von Ethereum, in der Smart Contracts ausgeführt werden. Jedes Mal, wenn ein Smart Contract ausgeführt wird, wechselt die EVM von einem Zustand in einen anderen. Alle Knoten im Netzwerk müssen sich über diesen Zustand einig sein, um den Konsens aufrechtzuerhalten.

Die EVM wird durch eine Reihe von Opcodes definiert, die niedrige Anweisungen darstellen. Wenn Entwickler Verträge in Solidity oder Vyper schreiben, werden diese Verträge in EVM-Bytecode kompiliert, den die EVM interpretieren kann. Dieser gemeinsame Standard ist es, was Ethereum-Smart-Contracts über kompatible Chains portabel macht.

Wie funktioniert ein zkEVM?

Ein zkEVM repliziert die Ethereum-Umgebung innerhalb eines zk-Rollups. Es nimmt einen Anfangszustand, verarbeitet eine Charge von Transaktionen gemäß den EVM-Regeln und gibt einen neuen Zustand zusammen mit einem Gültigkeitsbeweis aus. Ein Verifier-Vertrag im Ethereum-Hauptnetz überprüft diesen Beweis, ohne jede Transaktion erneut auszuführen.

Dieser Ansatz bedeutet, dass die Richtigkeit jeder Zustandsübergangs kryptografisch garantiert ist, nicht nur angenommen wird. Entwickler können bestehende Ethereum-Smart-Contracts auf einem zkEVM mit geringen oder keinen Modifikationen bereitstellen, da die Ausführungsumgebung denselben Regeln wie das Hauptnetz folgt.

Die Generierung von ZK-Beweisen für die EVM-Ausführung ist rechenintensiv. Hardwarebeschleunigung und algorithmische Verbesserungen in den letzten Jahren haben die Beweisgenerierungszeiten erheblich reduziert, von dem, was einst potenziell mehrere Stunden in Anspruch nahm, auf Minuten oder Sekunden in einigen Konfigurationen, obwohl dies je nach Netzwerk und Batch-Größe variiert.

EVM-Kompatibilität vs. EVM-Äquivalenz

EVM-Kompatibilität bedeutet, dass eine Blockchain Solidity-basierte Verträge mit minimalen Änderungen bereitstellen und ausführen kann. Viele Chains (einschließlich BNB Smart Chain) sind EVM-kompatibel. Entwickler können in der Regel Ethereum-Verträge kopieren und mit nur kleinen Anpassungen bereitstellen.

EVM-Äquivalenz geht weiter. Das bedeutet, dass ein zkEVM auf einer tiefen technischen Ebene identisch zu Ethereum funktioniert, sodass bestehende Tools, Debugging-Umgebungen und Entwickler-Infrastrukturen ohne Modifikationen arbeiten. Je näher ein zkEVM an voller Äquivalenz ist, desto einfacher wird die Migration, aber desto schwieriger ist es, effiziente ZK-Beweise zu erzeugen.

Verschiedene Arten von zkEVMs

In einem Blogbeitrag kategorisierte Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin zkEVMs in vier Typen basierend auf dem Kompromiss zwischen ZK-Effizienz und EVM-Kompatibilität.

Typ 1: Äquivalenz auf Konsensebene

Ein Typ 1 zkEVM ist vollständig äquivalent zu Ethereum auf der Konsensebene. Es kann Ethereum-Blöcke direkt verifizieren. Das macht es zum kompatibelsten Typ, aber die Generierung von ZK-Beweisen ist am rechenintensivsten. Ein Beispiel hierfür ist Taikos Typ 1 zkEVM Mainnet, das Mitte 2024 gestartet wurde.

Typ 2: Äquivalenz auf Bytecode-Ebene

Ein Typ 2 zkEVM ist vollständig kompatibel mit der EVM, unterscheidet sich jedoch von Ethereum in einigen internen Datenstrukturen, wie dem Zustandsbaum. Es unterstützt alle bestehenden Ethereum DApps und Tools. Die Beweiszeiten sind im Vergleich zu Typ 1 verbessert, bleiben aber signifikant. Scroll und Polygon zkEVM sind Beispiele für Typ 2 Netzwerke.

Typ 2.5: Typ 2 mit modifizierten Gaskosten

Typ 2.5 ähnelt Typ 2, passt jedoch die Gaskosten für Operationen an, die teuer zu beweisen sind. Dies verbessert die Effizienz des Beweisführers mit geringem Einfluss auf die vollständige Kompatibilität.

Typ 3: nahezu EVM-äquivalent

Typ 3 zkEVMs opfern einige Kompatibilität für bessere ZK-Leistung. Sie könnten bestimmte Precompiles oder andere EVM-Funktionen entfernen, die schwer effizient zu beweisen sind. Einige DApps benötigen eventuell geringfügige Modifikationen zum Deployen.

Typ 4: Äquivalenz auf Hochsprachebene

Typ 4 zkEVMs kompilieren Hochsprachen wie Solidity direkt in zk-freundlichen Bytecode und umgehen damit vollständig den EVM-Bytecode. Dies bietet die beste Beweisleistung, aber die geringste Kompatibilität. zkSync Era verwendet einen Typ 4 Ansatz.

FAQ

Was ist ein zkEVM?

Ein zkEVM ist eine Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine, die Smart Contracts innerhalb eines zk-Rollups verarbeitet und dann einen kryptografischen Beweis generiert, der zeigt, dass alle Transaktionen korrekt ausgeführt wurden. Es ermöglicht Entwicklern, bestehenden Ethereum-Code mit den zusätzlichen Sicherheits- und Skalierbarkeitsvorteilen der ZKP-Technologie zu verwenden.

Wie unterscheidet sich ein zkEVM von einem regulären zk-Rollup?

Frühere zk-Rollups unterstützten nur einfache Operationen wie Token-Transfers. Ein zkEVM erweitert dies auf den vollständigen EVM-Befehlssatz, was bedeutet, dass jeder Ethereum-Smart-Contract, einschließlich komplexer DeFi-Protokolle und NFT-Plattformen, auf einem zkEVM mit minimalen Modifikationen ausgeführt werden kann.

Was sind die vier Typen von zkEVMs?

Vitalik Buterin definierte vier Typen. Typ 1 ist vollständig äquivalent zu Ethereum auf der Konsensebene. Typ 2 ist vollständig EVM-kompatibel, unterscheidet sich jedoch in einigen internen Datenstrukturen. Typ 3 opfert einige Kompatibilität für bessere ZK-Leistung. Typ 4 kompiliert Hochsprachen direkt in zk-freundlichen Bytecode und bietet die höchste Beweis-Effizienz.

Machen zkEVMs Ethereum sicherer?

zkEVMs verwenden kryptografische Gültigkeitsbeweise anstelle von ökonomischer Spieltheorie, um die korrekte Ausführung sicherzustellen. Das bedeutet, dass die Richtigkeit jeder Charge mathematisch überprüfbar ist, was die Sicherheitsgarantien im Vergleich zu Systemen stärken kann, die auf Herausforderer angewiesen sind, um Betrug zu erkennen. Wie alle Blockchain-Systeme tragen zkEVMs jedoch Risiken in Bezug auf Smart Contracts und andere technische Risiken, über die Benutzer selbstständig recherchieren sollten.

Abschließende Gedanken

zkEVMs kombinieren die Sicherheit der ZKP-Kryptographie mit voller Smart Contract-Kompatibilität, was es ermöglicht, DApps mit höherer Durchsatzrate und niedrigeren Kosten auszuführen, ohne die Sicherheitsgarantien von Ethereum zu opfern. Es ist wichtig, die verschiedenen Typen zu verstehen und wie die Technologie mit Web2-Anwendungsfällen kompatibel sein könnte.

Weiterführende Literatur

  • Was ist ein Zero-Knowledge-Beweis und wie beeinflusst er Blockchain?

  • Optimistische vs. Zero-Knowledge-Rollups: Was ist der Unterschied?

  • Verbesserung der Krypto-Transparenz mit Zero-Knowledge-Beweisen

  • Was sind zk-Rollups? Die Layer-2-Skalierungstechnik

  • Blockchain Layer 1 vs. Layer 2 Skalierungslösungen

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