Detaillierter Nachweis der technischen Eigenschaften von Rollup und Cairo VM

Original: Ethereum effizient skalieren

Übersetzung und Korrekturlesen: „Starknet Chinese Community“

Überblick

• Proof of Validity Rollup ist die potenziellste Möglichkeit, den Durchsatz von Ethereum auf sichere und dezentralisierte Weise zu erhöhen; zkEVM und Cairo VM (CVM) sind die beiden virtuellen Maschinen (VM), die im Rollup of Validity Proof-Typ verwendet werden.
• zkEVM konzentriert sich auf Ethereum-Kompatibilität auf Kosten von Leistung und Skalierbarkeit.
• Die von Starknet übernommene Cairo VM priorisiert Leistung und Skalierbarkeit gegenüber Kompatibilität.

Rollups waren dieses Jahr ein heißes Thema bei der Skalierung von Ethereum. Unter den verschiedenen Arten von Rollups glauben wir, dass Validity Proof Rollup (im Folgenden als VR oder ZK-Rollup bezeichnet) die vielversprechendste Erweiterungslösung ist, um den Durchsatz von Ethereum auf sichere und dezentrale Weise zu erhöhen. Der Kern dieses Erweiterungsschemas ist die Verwendung von Gültigkeitsnachweisen für überprüfbare Berechnungen. So funktioniert das:

• Anders als bei der Verarbeitung jeder Transaktion im Ethereum-Mainnet führt der Betreiber die Transaktion in einer Off-Chain-Umgebung aus. Die Off-Chain-Umgebung ist L2, die Betriebsschicht, die auf Ethereum läuft.
• Nachdem die Massentransaktionsverarbeitung abgeschlossen ist, gibt der L2-Betreiber das Ergebnis zusammen mit einem Gültigkeitsnachweis an den Ethereum-Status zurück, um die Integrität der Off-Chain-Ausführung zu überprüfen. Dieser Nachweis garantiert, dass alle Transaktionen im selben Batch gültig sind und durch den On-Chain-Verifizierungsvertrag autonom verifiziert werden. Diese Operation ermöglicht es Ethereum, das Ergebnis auf seinen Zustand anzuwenden.

Gültigkeitsnachweis-Rollup

Bitte beachten Sie: Validitätsnachweis-Rollups werden oft fälschlicherweise als Zero-Knowledge-Rollups (zkRollup) bezeichnet, was nicht korrekt ist. Die meisten Validity Proofs Rollup verwenden keine Zero-Knowledge-Proofs und dienen auch nicht der Gewährleistung der Privatsphäre. Daher ist der Begriff „Validity Proof Rollup“ zutreffender.

Virtuelle Maschine außerhalb der Kette

Bevor wir weitermachen, müssen wir die erste Frage beantworten: Was ist eine virtuelle Maschine (VM)? Kurz gesagt ist eine virtuelle Maschine eine Umgebung, in der Programme ausgeführt werden können, beispielsweise ein Windows-Betriebssystem, das auf einem Mac ausgeführt wird. Die VM wechselt zwischen Zuständen, nachdem sie Berechnungen für einige Eingaben durchgeführt hat. Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist die VM, die Ethereum Smart Contracts ausführt.

Eine Zero-Knowledge Virtual Machine (zkVM) ist eine Programmausführungsumgebung, die zusammen mit der Programmausgabe leicht überprüfbare Gültigkeitsnachweise generiert. Mit einem Gültigkeitsnachweis wird nachgewiesen, dass ein Programm korrekt ausgeführt wurde. Wenn der Begriff „zkEVM“ verwendet wird, bezieht er sich normalerweise auf ein Rollup, das die Ethereum Virtual Machine (EVM) ausführt und die Ausführung der EVM bestätigen kann. Diese Terminologie kann irreführend sein, da die EVM selbst diese Beweise nicht generieren kann; stattdessen werden die Beweise von einem separaten Beweismechanismus erstellt, der das Ergebnis der EVM-Ausführung als Ausgangspunkt nimmt. Darüber hinaus beziehen sich die oben genannten Beweise alle auf die Gültigkeit und haben nichts mit der Privatsphäre zu tun. Daher kann man es nicht genau als wissensfreien Beweis bezeichnen. Aus Gründen der Konsistenz wird in diesem Artikel weiterhin der traditionelle Begriff „zkEVM“ verwendet.

Während alle Proof-of-Validity-Rollups darauf abzielen, Ethereum mit Proof-of-Validity zu skalieren, treffen verschiedene Systeme unterschiedliche Entscheidungen darüber, wie die VM Off-Chain-Transaktionen ausführt. Viele Validitätsnachweise Rollup entschieden sich für die Replikation des EVM-Designs (daher der Name „zkEVM Rollup“) und versuchten, Ethereum auf einem L2-Rollup zu replizieren. Starknet verwendet Cairo VM (CVM), eine brandneue VM, die die Effizienz des Gültigkeitsnachweises optimieren soll.

Die beiden oben genannten Methoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile sowie Kompromisse, aber zkEVM opfert Leistung für die Ethereum-Kompatibilität, während Cairo VM Leistung über Kompatibilität stellt und Skalierbarkeit priorisiert.

Verstehen Sie, wie zkEVM funktioniert

zkEVM ist ein Validitätsnachweis-Rollup, das darauf ausgelegt ist, das Ethereum-Erlebnis vollständig auf der L2-Blockchain einzuführen. Der Zweck besteht darin, die Ethereum-Entwicklerumgebung in Rollup zu replizieren. Mit zkEVM müssen Entwickler den Code nicht anpassen oder die ursprünglichen EVM-Tools (und Smart Contracts) aufgeben, wenn sie Smart Contracts schreiben oder auf Erweiterungslösungen portieren.

Dieser Ansatz weist einen entscheidenden Fehler auf, der die Skalierbarkeit von Gültigkeitsnachweisen verringert. Aufgrund des Fokus auf Kompatibilität mit Ethereum ist zkEVM langsamer und ressourcenintensiver. Im Gegensatz zu CVM ist EVM nicht auf Beweiseffizienz ausgelegt. Dies schränkt den Einsatz von Optimierungen zur Verbesserung der Effizienz und Skalierbarkeit ein und wirkt sich letztendlich auf die Gesamtleistung des Systems aus.

Beweisbarkeit der EVM

Die zentrale Herausforderung des zkEVM-Ansatzes liegt im tief verwurzelten ursprünglichen Entwurf des EVM, der ursprünglich nicht für die Ausführung in einer Proof-of-Validity-Umgebung konzipiert war. Wenn daher alle Anstrengungen unternommen werden, um die Funktionen von Ethereum zu realisieren, kann das volle Potenzial des Gültigkeitsnachweises nicht ausgeschöpft werden, was zu einer unbefriedigenden Effizienz führt. Diese Ineffizienz beeinträchtigt letztendlich die Gesamtleistung des Systems. Die Kompatibilität von EVM mit Gültigkeitsnachweisen wird beeinträchtigt durch:

• Das EVM verwendet ein stapelbasiertes Modell, während sich die Gültigkeit für ein registerbasiertes Modell als effizienter erweist. Die stapelbasierte Natur des EVM macht es grundsätzlich schwieriger, die Korrektheit seiner Ausführung nachzuweisen und bietet direkte Unterstützung für seine native Toolchain.
• Das Speicherlayout von Ethereum basiert stark auf Keccak- und großen Merkle-Patricia-Bäumen, die beide nicht validitätsbeweisfreundlich sind und eine enorme Beweislast mit sich bringen. Keccak ist beispielsweise für x86-Architekturen sehr schnell (wird normalerweise zum Ausführen der EVM verwendet), erfordert jedoch 90.000 Schritte zum Nachweis (erfordert spezielle integrierte Funktionen). Während Pedersen (eine wissensfreie Hash-Funktion) nur 32 Schritte erfordert. Selbst bei rekursiver Komprimierung verbraucht die Verwendung von Keccak in zkEVM immer noch viele Ressourcen des Prüfers, und die Kosten werden letztendlich vom Benutzer getragen.

Daher sind verschiedene Arten von zkEVM so konzipiert, dass sie unterschiedliche Unterstützungsniveaus für Ethereum-Tools bieten. Je höher jedoch die Kompatibilität von zkEVM mit Ethereum ist, desto geringer ist die Leistung. (Weitere zkEVM-Typen finden Sie am Ende des Artikels.)

Verstehen Sie, wie Cairo-VM funktioniert

In die zkEVM-Lösung wurde viel Entwicklungszeit investiert, um „EVM für Validity Proof Rollup geeignet zu machen“, wobei der Kompatibilität Vorrang vor langfristiger Leistung und Skalierbarkeit eingeräumt wurde. Es gibt noch eine weitere Option: Führen Sie eine neue dedizierte virtuelle Maschine ein und fügen Sie eine zusätzliche Ebene zur Unterstützung von Ethereum-Tools hinzu. Das ist der Schritt, den Starknet unternimmt und im November 2021 ein erlaubnisloses Proof-of-Validity-Rollup einführt. Starknet ist das erste Validitätsnachweis-Rollup, das eine universelle Smart-Contract-Plattform in einem vollständig zusammensetzbaren Netzwerk implementiert.

Starknet übernimmt Cairo-VM (CVM) und erstellt die gleichnamige Hochsprache Cairo. Cairo-VM ist für die effiziente Generierung von Gültigkeitsnachweisen der Programmausführung konzipiert.

Mit Cairo (VM und Programmiersprache) ist es möglich:

1. Nachweis der Optimierungseffektivität. Jede Anweisung verfügt über einen gültigen algebraischen Ausdruck
2. Eine moderne Rust-ähnliche Sprache zum Schreiben beweisbarer Programme
3. Zwischenausdrücke (Sierra) zwischen der Kairo-Hochsprache und der Kairo-Assembly (VM-Anweisungen), mit denen Kairo-Code effizient ausgeführt werden kann

Die Entwicklung einer völlig neuen Sprache kann auf spezifische Anforderungen zugeschnitten werden, Funktionen umfassen, die zuvor nicht verfügbar waren, und neue Anforderungen erfüllen.

Kairo und Kodierungspluralismus

Um einen Beweis für die Gültigkeit einer Berechnung zu erstellen, muss diese Berechnung zunächst als eine Reihe mathematischer Einschränkungen ausgedrückt werden, die die Berechnung beschreiben. Der Prozess ist komplex, die Schwierigkeit besteht darin, die Berechnungen auf Effizienz zu optimieren, und es sind spezielle Werkzeuge erforderlich.

Die Sprache Cairo wurde entwickelt, um diese Aufgabe zu vereinfachen, sodass StarkEx problemlos Funktionalität und komplexe Geschäftslogik hinzufügen kann. Cairo-Programme werden in algebraischen Maschinencode kompiliert, eine Zahlenfolge, die von einer einzigen, festen VM ausgeführt wird. Mit Cairo wird der komplexe Prozess der Generierung mathematischer Einschränkungen zur Beschreibung von Berechnungen (sehr schwierig für Gültigkeitsnachweise) abstrahiert und als fester Satz von Einschränkungen ausgedrückt (insgesamt weniger als 50 Einschränkungen). Dadurch können Entwickler Anwendungen mit Gültigkeitsnachweisen erweitern, indem sie Code in einer vertrauten Syntax schreiben, ohne die zugrunde liegende Mathematik und Infrastruktur zu verstehen.

Das Engagement von Starknet für Innovation zeigt sich in seinem Ansatz zur Code-Pluralisierung. Kairo nutzt die STARK-Technologie, um optimale Erweiterungsfunktionen zu erreichen, die sich nicht nur auf das Verfassen von Verträgen mit der lokalen Umgebung von Kairo beschränken. Entwickler können auch die am besten geeignete Methode wählen:

• Lokale Codierung in Kairo: Inspiriert von Rust entspricht Cairo 1.0 besser den Nutzungsgewohnheiten der Entwickler und ist sicherer, und das Schreiben von Programmlogik wird einfacher und weniger fehleranfällig.
• Solidity-Kompatibilität: Solidity-Entwickler können Code schreiben, der Cairo VM unterstützt. Dieser Ansatz bietet eine ähnliche Entwicklererfahrung wie Ethereum und unterstützt die Migration von Solidity-Smart-Verträgen zu Starknet. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Migration umzusetzen:
• Übersetzung: Unter Übersetzung versteht man den Prozess der Konvertierung des Quellcodes einer Programmiersprache in eine andere Sprache. Das Nethermind-Team baute den Warp-Transpiler für die Transpilierung von Solidity-Code nach Kairo. Warp macht Solidity-Smart-Contracts auf Starknet portierbar und ist damit praktisch ein vierter Typ von zkEVM. Es wird derzeit verwendet, um Uniswap-Verträge mit minimalen Änderungen zu übersetzen und bereitzustellen.
• zkEVM auf Starknet: Die Cairo-VM kann verwendet werden, um die Ausführung einer anderen VM zu bestätigen. Kakarot ist ein in Kairo geschriebenes zkEVM, mit dem Ethereum-Smart-Verträge auf Starknet ausgeführt werden können. Cairo VM und zkEVM stehen nicht im Wettbewerb. Anstatt zwischen den beiden zu wählen, ist es besser, beide zu haben!

Obwohl Cairo schon lange nicht mehr auf dem Markt ist, ist Cairo laut TVL-Ranking die viertbeliebteste Smart-Contract-Programmiersprache mit einem Wert von über 350 Millionen US-Dollar.

Zusammenfassen

Ziel von zkEVM ist es, die Ethereum-Entwicklerumgebung in Rollup zu replizieren und Entwicklern die Verwendung vertrauter Ethereum-Tools zu ermöglichen. Dieser Ansatz schränkt jedoch das Potenzial für Gültigkeitsnachweise ein und ist ressourcenintensiv.

Die für Gültigkeitsnachweise konzipierte Cairo VM unterliegt nicht den Einschränkungen der EVM. Cairo VM unterstützt Cairo 1.0. Inspiriert von der Rust-Sprache entspricht Cairo 1.0 eher den Entwicklergewohnheiten und ist sicherer. Es stellt ein leistungsstarkes Tool dar, das darauf ausgelegt ist, mit STARK eine effiziente Erweiterung von Ethereum nachzuweisen.

Es ist spannend zu sehen, wie sich Cairo jede Woche weiterentwickelt und die Optionen für Entwickler wie Kakarot, zkEVM und Warp wachsen. Da Starknet dApps in Produktion sind und die Leistungsfähigkeit von Kairo demonstrieren, sind wir fest davon überzeugt, dass Kairo in Zukunft herausragende Projekte hervorbringen wird, die es noch nie zuvor gegeben hat.

Oben wurden drei Wege für die SATRK-Erweiterung skizziert, und in den kommenden Monaten wird es zweifellos weitere Innovationen geben. Entwickler haben nun eine beispiellose Kontrolle über die Skalierung von Blockchains.

zkEVM-Typ

Vitalik unterteilt zkEVM in vier Haupttypen:

• Die erste Kategorie entspricht vollständig Ethereum: Sie verändert keinen Teil des Ethereum-Ökosystems.
• Die zweite Art von vollständig gleichwertigem EVM: Kompatibel mit vorhandenen dApps und nimmt einige Anpassungen am Design von Ethereum vor, um die Beweiserstellung zu beschleunigen.
• Die dritte Kategorie entspricht in etwa EVM: Unterstützt die meisten EVM-Opcodes und entfernt einige Funktionen, die zkEVM schwer zu implementieren ist (z. B. Vorkompilierung und Hash-Funktionen).
• Der vierte Typ einer äquivalenten Hochsprache: Schreiben Sie intelligenten Vertragscode in Solidity/Vyper und übersetzen Sie ihn in eine gültige beweisfreundliche Sprache.