零知識證明開發指南：從入門到高階

去年夏天，Vitalik 寫了一篇博文，概述了不同類型的 zkEVM（零知識以太坊虛擬機）。Vitalik 根據性能和兼容性來定義與權衡。

這是一個非常有用的啟發式方法，以區分支持zkEVM的方法。然而，zkEVM是構建零知識應用程序的所有可能方法的一個子集。對于想要利用zk計算的獨特屬性，即簡潔性、零知識和正確性的程序員來說，zkEVM可能不是最好的選擇。通過闡述整個開發工具集，本文希望提供一個指南，幫助開發者在決策過程中選擇合適的zk堆棧。

抽象復雜度的力量

在過去的一兩年中，zk工具有了巨大的進步。使得普通軟件的開發人員可以利用zk的強大屬性，而不需要深入了解令人生畏的基礎數學和工程。另一方面，為高級用戶提供的工具激增，使 zk 專家能夠極其精細地控制 zk 堆棧。

現代軟件是建立在無數的抽象層上的，以最大限度地提高專家的生產力。工程中的抽象有許多優勢，這些優勢在某種程度上是直觀的–網絡開發者不需要深入了解操作系統的工作原理。

建立良好的、可重復使用的抽象層的關鍵是封裝一個層的復雜性，然后為堆棧中更高的層提供簡單但有表現力的接口。正確的做法是，這使得具有不同專業領域和知識的開發人員能夠在整個堆棧中建立有用的工具。

毫不奇怪，這些原則也適用于zk系統，而且這些抽象層正變得足夠成熟，一個zk新手今天就可以開始使用它們并構建應用程序。

zk堆棧與各層的一些工具/技術實例

低級別的zk開發

Arkworks-rs

Arkworks-rs是一個Rust庫的生態系統，它為zksNARK應用程序的子組件提供高效和安全的實現。Arkworks為開發者提供了必要的接口，以定制zk應用程序的軟件棧，而不必重新實現與其他現有庫的共性。

在Arkworks之前，創建一個新的zk應用程序的唯一方法是從頭開始構建一切。與定制的垂直整合工具相比，Arkworks-rs的主要優勢在于其靈活性水平，減少重復工程，以及減少審計工作。Arkworks組件之間合理的接口線允許升級的速度，可以使堆棧在zk技術快速創新的過程中保持相關性，而不會迫使團隊從頭開始重建一切。

優點

• 通過模塊化實現靈活性
• 減少重復代碼
• 降低工程成本
• 減少審計/bug的表面積
• 無需重大重構即可升級任何組件
• 易于在快速發展的 zk 環境中試驗新原語

缺點

• 需要深入了解完整的軟件堆棧
• 如果沒有正確理解，太多的控制會導致腳槍
• 精細控制需要堆棧所有級別的專業知識。
• Arkworks 確實提供了一些合理的默認設置。

zk領域專用語言(DSL)

為了創建一個關于某些計算的證明，首先這個計算必須以一個zkSNARK系統可以理解的形式來表達。一些特定領域的語言已經創建了編程語言，允許應用開發者以這種方式表達他們的計算。這些語言包括Aztec Noir、Starknet的Cairo、Circom、ZoKrates和Aleo的Leo等等。底層的證明系統和數學細節一般不會暴露給應用開發者。

開發者的經驗

zkApp的開發者必須熟練地用特定領域的語言編寫程序。其中一些語言看起來很像我們熟悉的編程語言，而其他語言可能相當難學。讓我們來分析一下其中的幾個。

Cairo – Starkware DSL對于在Starknet上構建應用程序是必要的。編譯成Cairo特有的匯編語言，可由Cairo zkVM解釋。

ZoKrates – ZoKrates是一個滿足SNARK常見需求的工具包，包括一種編寫電路的高級語言。ZoKrates在曲線、證明方案和后端方面也有一些靈活性，允許開發者通過簡單的CLI參數進行熱交換。

Circom — Circom 是一種用于構建電路的專用語言。目前，它是生產電路的實際語言。該語言不是特別符合人體工程學，使開發者敏銳地意識到正在編寫電路。

Leo——Leo 被開發為 Aleo 區塊鏈的語言。Leo 有一些類似 Rust 的語法，專門用于區塊鏈內部的狀態轉換。

Noir – 受 Rust 啟發的語法。圍繞 IR 而不是語言本身構建，這意味著它可以有一個任意的前端。

適用于誰

任何想要在其應用程序中利用zk的獨特屬性的應用程序開發人員。

其中一些語言已經過數十億美元的實戰測試，如在 ZCash 和 Starknet 等鏈的流動。雖然我們將討論的一些項目還沒有完全準備好用于生產，但使用其中一種語言編寫電路是目前最好的策略，除非需要像 Arkworks 這樣的工具包提供的更精細的控制。

優點

• 用戶不需要了解底層的zk細節
• 有一定的生產經驗，今天就可以使用
• 可在鏈上驗證
• 生態系統不可知

缺點

• 用戶需要學習一個新的DSL
• 圍繞這些語言的工具和支持都是孤立的
• 對底層證明堆棧幾乎沒有控制權（目前）。



zkEVMs

zkEVM的主要目標是采取ethereum狀態轉換，并使用簡潔的零知識正確性證明來證明其有效性。正如Vitalik的帖子中提到的，有許多方法可以做到這一點，并有微妙的差異和相應的權衡。

所有這些方法之間的主要技術區別在于，在語言棧中，計算究竟在哪里被轉換為可以在證明系統中使用的形式（算術化）。在一些zkEVM中，這發生在高級語言中（Solidity、Vyper、Yul），而其他方法則試圖將EVM一直證明到操作碼級別。這些方法之間的權衡在Vitalik的帖子里有深刻的論述，但我將用一句話來概括它。在堆棧中發生的轉換/算術化越低，性能損失就越大。

高操作成本

為虛擬機創建證明的主要挑戰是，電路的大小與每條執行指令的所有可能指令的大小成比例地增長。這是因為電路不知道在每個程序中會執行哪些指令，所以它需要支持所有的指令。

在通用電路中，每條執行的指令的成本與所有支持的指令之和成正比。

這在實踐中意味著，你要為最昂貴的指令支付（性能成本），即使你只是在執行最簡單的指令。這導致了通用性和性能之間的直接權衡–當你為通用性增加更多的指令時，你要為你證明的每一條指令付出代價！這就是通用電路的根本問題。

但隨著IVC（增量可驗證計算）等技術的新發展，這種限制可以通過將計算分成更小的塊來改善，每個塊都有專門的、更小的子電路。

今天的 zkEVM 實現使用不同的策略來減輕這個問題的影響……例如，zkSync 去掉了更昂貴的操作（主要是加密的預編譯，如哈希值，以及其他一些操作）

zkEVM的理想客戶是那些需要比L1以太坊上的交易便宜幾個數量級的智能合約應用。這些開發人員不一定有專業知識或帶寬來從頭開始編寫zk應用程序。因此，更喜歡用熟悉的更高級的語言來寫應用程序，如Solidity。

眾多開發團隊

擴展ethereum是目前zk技術最需要的應用。

zkEVM是一個以太坊擴展解決方案，可以無摩擦地緩解限制L1 dApp開發者的擁堵問題。

開發者體驗

zkEVM的目標是支持一個盡可能接近當前以太坊開發的開發者體驗。完全支持Solidity意味著團隊不必建立和維護多個代碼庫。這在某種程度上是不切實際的，因為zkEVM需要交換一些兼容性，以便能夠在合理的時間內生成合理規模的證明。

zkSync 與 Scroll

zkSync 和 Scroll 之間的主要區別在于它們在堆棧中的何處/何時執行算術運算——也就是說，它們從普通 EVM 構造轉換為 SNARK 友好表示的位置。對于 zkSync，當他們將 YUL 字節碼轉換為他們自己的自定義 zk 指令集時，就會發生這種情況。對于Scroll來說，這發生在最后，當實際的執行跟蹤用實際的EVM操作碼生成時。

因此，對于 zkSync，在生成 zk 字節碼之前，一切都與與 EVM 交互相同。對于 Scroll，在執行實際的字節碼之前，一切都是一樣的。這是一個微妙的差異，它以性能換取支持。例如，zkSync 不會像開箱即用的調試器那樣支持 EVM 字節碼工具，因為它是完全不同的字節碼。雖然 Scroll 很難從指令集中獲得良好的性能，但這并不是為 zk 設計的。這兩種策略各有利弊，最終有很多外生因素會影響它們的相對成功。

zkLLVM 電路編譯器

正如詳細討論的那樣，開發 zk 應用程序有無數不同的選擇，所有這些都有自己獨特的權衡。此圖表將幫助總結此決策矩陣，以便根據您的 zk 專業知識水平和性能需求，選擇最適合該工作的工具。這不是一個完整的列表，會隨著zk的發展更新。

zkLLVM 被設計為現有 LLVM 基礎設施的擴展，LLVM 基礎設施是一個行業標準工具鏈，支持許多高級語言，如 Rust、C、C++ 等。

怎么運行

想要證明某些計算的用戶只需用 C++ 實現該計算即可。zkLLVM 采用其修改后的 clang 編譯器（當前為 C++）支持的高級源代碼，并生成電路的一些中間表示。此時，電路已準備好進行驗證，但用戶可能希望根據一些動態輸入來驗證電路。為了處理動態輸入，zkLLVM 有一個稱為分配器的附加組件，它生成一個分配表，其中包含所有輸入和見證，這些輸入和見證已完全預處理并準備好與電路一起進行證明。

這兩個組件是生成證明所必需的。理論上，用戶可以自己生成證明，但由于這是一項有點專業化的計算任務，可能需要花錢請擁有硬件的其他人做這件事。對于這種交易對手發現機制，=nil；Foundation 還建立了一個“證明市場”，證明者競相為支付給他們的用戶證明計算。這種自由市場動態將導致證明者優化最有價值的證明任務。

權衡利弊

由于每個要證明的計算任務都是獨一無二的，并且會生成不同的電路，因此證明者需要能夠處理的電路數量是無限的。這種強制的通用性使得單個電路的優化變得困難。證明市場的引入允許對市場認為有價值的電路進行專業化。如果沒有這個市場，由于這種自然的冷啟動問題，說服驗證者優化該電路將是一項挑戰。

另一個權衡是經典的抽象與控制。愿意采用這種易于使用的界面的用戶正在放棄對底層加密原語的控制。對于許多用戶來說，這是一個非常有效的權衡，因為讓密碼學專家為您做出這些決定通常更好。

優點

• 用戶可以用熟悉的高級語言編寫代碼
• 所有的zk內部結構都被抽象出來，不受用戶影響
• 不依賴增加額外開銷的特定 "虛擬機 "電路。


缺點

• 每個程序都有一個不同的電路。難以優化。(證明市場部分解決了這個問題)
• 交換/升級內部zk庫并非易事（需要分叉）

zkVM

zkVM 描述了所有 zk 虛擬機的超集，而 zkEVM 是一種特定類型的 zkVM，由于其在當今的流行，值得作為一個單獨的主題進行討論。除了定制的加密 VM 之外，還有一些其他項目正在致力于構建基于 ISA 的更通用的 zkVM。

系統可以證明不同的指令集架構 (ISA)，例如新 VM 中的 RISC-V 或 WASM，而不是證明 EVM。致力于這些通用 zkVM 的兩個項目是 RISC Zero 和 zkWASM。

讓我們在這里深入了解一下RISC Zero，以證明這種策略是如何工作的，以及它的一些優勢/劣勢。

Risc Zero



Risc Zero證明生成的高級架構

RISC Zero能夠證明任何在RISC-V架構上執行的計算。RISC-V是一個開源的指令集架構（ISA）標準，已經越來越受歡迎。RISC（精簡指令集計算機）的理念是以最小的復雜性建立一個極其簡單的指令集。這意味著堆棧中較高層次的開發者在使用這種架構實現指令時最終會承擔更大的負荷，同時使硬件實現更加簡單。

這種理念也適用于一般的計算，ARM芯片一直在利用RISC風格的指令集，并開始主導移動芯片的市場。事實證明，更簡單的指令集也具有更大的能量和芯片面積效率。

這個類比對于生成zk證明的效率來說相當適用。正如前面所討論的，在證明zk的執行軌跡時，你要為軌跡中每一項的所有指令的成本之和買單，所以更簡單、更少的總指令是更好的。

如何工作

從開發者的角度來看，使用RISC Zero來處理zk證明，很像使用AWS Lambda函數來處理后端服務器架構。開發人員通過簡單地編寫代碼與RISC Zero或AWS Lambda互動，服務處理所有后端復雜性。

對于RISC Zero，開發者編寫Rust或C++（最終是任何針對RISC-V的東西）。然后，系統接受編譯過程中產生的ELF文件，并將其作為虛擬機電路的輸入代碼。開發者只需調用證明，返回一個收據（包含執行跟蹤的zk證明）對象，任何人都可以從任何地方調用`驗證'。從開發者的角度來看，沒有必要了解zk是如何工作的，底層系統處理所有這些復雜的問題。

為了支持這樣一個通用接口，需要大量的開銷（在證明大小和生成速度方面）。

需要對證明生成技術進行重大改進，以實現對現有庫的廣泛支持

預建的可重復使用電路

對于一些對區塊鏈應用或其他地方特別有用的基本和可重復使用的電路，團隊可能已經為你構建和優化了這些電路。你只需為你的特定用例提供輸入即可。例如，Merkle包容證明是加密貨幣應用中普遍需要的東西（空投清單、龍卷風現金等）。作為一個應用程序的開發者，你總是可以重新使用這些經過實戰檢驗的合約，只是在上面修改一些層，以創建一個獨特的應用程序。

例如，Tornado Cash 的電路可以重新用于私人空投應用程序或私人投票應用程序。Manta 和 Semaphore 正在構建一個完整的工具包，包括像這樣的通用電路小工具，可以在 Solidity 合約中使用，而無需了解或不了解底層的 zk moon 數學。

正如詳細討論的那樣，開發 zk 應用程序有無數不同的選擇，所有這些都有自己獨特的權衡。

此圖表將幫助總結此決策矩陣，以便根據您的 zk 專業知識水平和性能需求，選擇最適合該工作的工具。這不是一個完整的列表，會隨著zk的發展更新。

zkGalaxy 應用開發者指南

1. 低級 Snark 庫

適用場景

• 需要對整個證明堆棧進行精細控制
• 避免重建公共組件
• 嘗試證明方案、曲線和其他低級原語的不同組合

不適用場景

• 尋找高級證明接口的新手

可選用工具

• Arkworks-rs

2. zk DSLs

• 適用場景
• 想使用一些久經考驗的語言
• 需要最小的電路尺寸，愿意放棄抽象

不適用場景

需要對證明的后端進行精細控制（目前，可以為一些DSL交換后端）

可選用工具

• Circom
• Aztec Noir
• Cairo
• ZoKrates
• Leo

3. zk 編譯器

適用場景

• 不愿意承擔通用電路的開銷
• 想用熟悉的語言編寫電路
• 需要高度定制的電路

不適用場景

• 想要控制底層加密原語
• 需要一個已經高度優化的電路
• 可選用工具
• nil zkLLVM

4.zkEVM

適用場景

• 有一個已經在 EVM 上運行的 dApp
• 需要為用戶提供更便宜的交易
• 希望將部署到新鏈的工作量降到最低
• 只關心zk（壓縮）的簡潔性

不適用場景

• 需要完美的 EVM 等效性
• 需要 zk 的隱私屬性
• 有一個非區塊鏈用例

可選用工具

• zksync2.0
• Polygon zkEVM
• Scroll
• Starknet

5.zkVM

適用場景

• 想用高級語言編寫代碼
• 需要證明該執行的正確性
• 需要向驗證者隱藏該執行的一些輸入信息
• 幾乎沒有zk方面的專業知識



不適用場景

• 在延遲極低的環境中（它仍然很慢）。
• 有一個巨大的程序（目前）。

可選用工具

• RISC Zero
• zkWASM

6. 預建的可重復使用的電路

適用場景

• 有一個依賴常見的zk構建模塊的智能合約應用，比如Merkle包容。
• 對zk底層的東西幾乎沒有專業知識

不適用場景

• 有高度專業化的需求
• 用例不被預建電路所支持
• 可選用工具
• Manta Network
• Semaphore

結論

zk 處于多項技術的前沿，構建它需要對數學、密碼學、計算機科學和硬件工程有深刻的理解。然而，隨著每天都有越來越多的抽象層可用，應用程序開發人員無需博士學位即可利用 zk 的強大功能。隨著時間的推移，通過對堆棧的所有級別進行優化，證明時間的限制會逐漸解除，我們可能會看到針對普通開發人員的更簡單的工具。

致謝

本文編譯工作獲得DAOrayaki社區的支持與反饋。

DAOrayaki DAO研究獎金池：

資助地址: DAOrayaki.eth

投票進展：DAO committee 3/0

通過研究種類：DAO, Governance

原文：A Developer’s Guide to the zkGalaxy