作者：StarkWare. 编译：Cointime：QDD.

简要概述

1. 有效性 Rollup 是以安全和去中心化的方式提高以太坊吞吐量的最有前景的方法；zkEVM 和 Cairo VM（CVM）是有效性 Rollup 中使用的两种虚拟机。

2. zkEVM 关注以太坊的兼容性，但在性能和可扩展性方面做出了牺牲。

3. Cairo VM，在 Starknet 中使用，将性能和可扩展性置于兼容性之上。

当谈到以太坊扩展时，Rollup 是今年的热门话题。在各种类型的 Rollup 中，我们认为有效性 Rollup（VRs），也称为 zk-rollup，是以安全和去中心化的方式提高以太坊吞吐量的最有前景的方法。在这个扩展解决方案的核心，是使用可验证计算的有效性证明。以下是它们的

工作原理：

1. 操作者将交易执行从以太坊的主网转移到一个离链环境中，而不是在以太坊的主网上处理每个交易。这个离链环境作为第二层存在，即在以太坊之上运行的一层。

2. 在处理大批量交易之后，第二层操作者返回结果并将其应用到以太坊的状态，同时提供一个有效性证明来验证离链执行的完整性。该证明确保批量中的所有交易都是有效的，并由链上的验证合约自主验证。这使得以太坊可以将结果应用到其状态中。

离链虚拟机

在继续之前，我们首先需要回答的问题是：什么是虚拟机（VM）？简单来说，虚拟机是一个程序可以运行的环境，就像一台运行Windows操作系统的Mac一样。它在对一些输入进行计算后在不同状态之间转换。以太坊虚拟机（EVM）是运行以太坊智能合约的虚拟机。

零知识虚拟机（zkVM）是一个程序执行环境，它可以生成可验证的有效性证明，证明程序的正确执行，同时还可以生成程序的输出。当使用术语“zkEVM”时，通常是指使用以太坊虚拟机（EVM）的Rollup，并且能够证明EVM的执行。这个术语可能会产生误导，因为EVM本身并不生成这些证明；相反，这些证明是由一个独立的证明机制生成的，它以EVM执行的结果为起点。此外，这些证明与隐私无关，因此它们并不完全是零知识证明。尽管如此，为了保持一致性，在本文中我们将坚持使用传统的术语“zkEVM”。

虽然所有的有效性 Rollup 都致力于利用有效性证明来扩展以太坊，但它们在选择在离链环境中执行交易的虚拟机方面存在差异。许多有效性 Rollup 选择复制EVM的设计（因此被称为“zkEVM rollups”），试图在L2 Rollup上复制以太坊。Starknet 使用了一种新的虚拟机——Cairo VM（CVM），专门设计用于优化有效性证明的效率。

这两种方法都有各自的优势和权衡，但zkEVM以以太坊的兼容性为代价来换取性能，而Cairo VM则将性能置于兼容性之上，优先考虑可扩展性能力。

zkEVM 方法

zkEVM 是一种有效性 Rollup，旨在将以太坊体验完全带入第二层区块链。它的目标是将以太坊开发环境作为一个Rollup进行复制。通过zkEVM，开发者在编写或迁移智能合约到更可扩展的解决方案时，不需要改变他们的代码或放弃他们的EVM工具（和智能合约）。

这种方法的一个主要缺点是它降低了有效性证明的扩展潜力。由于要保持与以太坊的兼容性，zkEVM的速度较慢，资源消耗较大。与CVM不同，EVM并非设计时考虑证明效率，这限制了可以改善效率和可扩展性的优化方法的使用，最终影响了系统的整体性能。

EVM的可证性

zkEVM方法的核心挑战源于EVM的原始设计蓝图，它并没有被设计成在有效性证明的环境中运行。因此，试图模仿其功能的努力未能充分发挥有效性证明的潜力，导致效率不够优化。EVM与有效性证明的兼容性受到以下因素的阻碍：

1. EVM采用基于堆栈的模型，而有效性证明更适合使用基于寄存器的模型。EVM的基于堆栈的性质使得难以证明其执行的正确性，并为其本地工具链提供直接支持。

2. 以太坊存储布局严重依赖Keccak和一个大型Merkle Patricia Tree，它们都不适合有效性证明，并施加了重大的证明负担。例如，Keccak在x86架构上非常快（我们通常在其上运行EVM），但需要90,000步来进行证明（使用特殊构建的版本）。而Pedersen（一种zk友好的哈希函数）只需要32步。即使使用递归压缩，zkEVM中使用Keccak意味着高消耗的证明资源，这最终由用户承担。

因此，各种zkEVM追求对以太坊工具链的不同程度的支持，zkEVM与以太坊的兼容性越强，性能就越低。（有关zkEVM类型的更多信息，请跳到文章末尾。）

Cairo-VM 方法

zkEVM 解决方案在“使EVM适用于有效性 Rollup”方面投入了大量的开发时间，优先考虑了与长期性能和可扩展性的兼容性。还有另一种选择：使用全新的专用虚拟机，并在其上添加对以太坊工具链的支持作为额外的层级。这就是Starknet采用的方法，Starknet是一个在2021年11月推出的无许可有效性 Rollup。Starknet是第一个在完全可组合网络上提供通用智能合约平台的有效性 Rollup。

Starknet使用Cairo-VM（CVM）和同名的高级语言。Cairo-VM是专为程序执行的有效性证明而设计的虚拟机。

通过Cairo（虚拟机和语言），我们拥有：

1. 优化的有效性证明 - 每个指令都有高效的代数表示

2. 一种类似Rust的现代语言，用于编写可证明的程序

3. 一个在高级Cairo和Cairo汇编（虚拟机指令）之间的中间表示（Sierra），可以高效地执行Cairo代码

开发一种新的语言可以根据其所要满足的具体需求进行定制，并为其添加解决以前未满足的需求的功能。

Cairo和多元化编码

为了创建关于某个计算的有效性证明，首先必须将该计算表示为描述计算的数学约束序列。由于优化计算以提高效率以及需要专门的工具支持的挑战，这个过程可能非常棘手。

Cairo语言最初的设计目标是简化这个任务，使向StarkEx添加功能和复杂业务逻辑变得更容易。Cairo程序被编译为代数机器代码 - 一系列数字，由单个固定的虚拟机执行。借助Cairo，生成描述计算的数学约束的整个复杂性 - 这对于有效性证明来说是一个棘手的问题 - 被抽象化并由一组固定的约束（总共不到50个约束）捕获。结果，开发者可以利用有效性证明来扩展其应用程序，而无需了解底层的数学和基础架构，只需用他们熟悉的语法编写代码。

https://twitter.com/EliBenSasson/status/1638270015009968134

Starknet注重创新，这反映在其对多元化编码的方法上。Cairo在使用STARKs实现最佳扩展性方面的能力，并不仅限于那些本地使用Cairo编写合约的人。开发者可以选择适合自己的方法：

1. 在Cairo中本地编码：随着Cairo 1.0的发布，开发者现在可以使用一种人性化和安全的、受Rust启发的语言来编写程序逻辑，这样可以使编码更容易，减少错误。

2. Solidity兼容性：Solidity开发者可以编写可由Cairo VM使用的代码。这种方法提供了与以太坊类似的开发体验，并使Solidity智能合约可以在Starknet上移植。实现这一目标有两种方法：

3. 转译：转译是指将用一种编程语言编写的源代码转换为另一种语言的过程。Nethermind团队开发了名为Warp的转译器，用于将Solidity代码转译为Cairo。Warp使Solidity智能合约可以在Starknet上移植，实际上使其成为一种类型4的zkEVM。它已经被用于转译和部署Uniswap合约，只需进行最小的更改。

4. 在Starknet上使用zkEVM：Cairo VM可以用于证明另一个虚拟机的执行。Kakarot是一个用Cairo编写的zkEVM，可以在Starknet上运行以太坊智能合约。Cairo VM和zkEVM并不是相互竞争的方法，我们不必在Cairo VM和zkEVM之间选择，可以同时使用两者！

尽管Cairo存在时间不长，但它已经成为第四受欢迎的智能合约语言（按总锁定价值计算），并已经保护了超过3.5亿美元的资金。

总结

zkEVM旨在将以太坊环境作为Rollup复制，并允许开发者使用熟悉的以太坊工具。然而，这种方法限制了有效性证明的全部潜力，并且可能需要大量资源。

Cairo VM专门为有效性证明系统设计，没有受到EVM的限制。它配备了一种新的、安全且人性化的Rust风格的编程语言，称为Cairo 1.0，形成了一个强大的工具，旨在通过使用STARK Proofs来实现以太坊的最大效率扩展。

令人兴奋的是，每周Cairo取得的成就，以及不同的开发者选择的增长，例如Kakarot zkEVM和Warp。随着Starknet dApps进入生产，展示了Cairo的强大能力，我们有信心它将被用于未来更具雄心的项目。

通过上述提到的STARK扩展的三种方法，以及未来几个月可能提供的其他方法，开发者现在可以以前难以想象的方式控制区块链的扩展能力。