zkEVM، یا ماشین مجازی اتریوم با دانش صفر (Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine)، یک فناوری پیشگامانه است که قصد دارد با ترکیب اثبات‌های دانش صفر و سازگاری با ماشین مجازی اتریوم، مشکل مقیاس‌پذیری این شبکه را حل کند. این نوآوری، امکان پردازش تعداد بسیار بیشتری از تراکنش‌ها را با حفظ امنیت قدرتمند لایه ۱ اتریوم و ارائه مزایای حریم خصوصی منحصر به فرد فراهم می‌آورد.
zkEVM نه تنها به دنبال تسریع تراکنش‌ها است، بلکه می‌خواهد فصل جدیدی در توسعه برنامه‌های غیرمتمرکز (dApps) با حفظ محرمانگی و کارایی بگشاید. اگر می‌خواهید بدانید zkEVM چیست، تا انتهای این بخش با ما همراه باشید.
پیش‌نیاز درک zkEVM
برای درک عمیق zkEVM، لازم است با دو مفهوم کلیدی در اکوسیستم اتریوم و بلاکچین آشنا شویم؛ ZK-Rollupها و ماشین مجازی اتریوم (EVM) که در ادامه به شرح آن‌ها می‌پردازیم:
مروری بر ZK-Rollup و جایگاه آن در لایه دوم
ZK-Rollupها (Zero-Knowledge Rollups) راهکارهایی برای مقیاس‌پذیری لایه دوم (Layer 2) اتریوم هستند که با بسته‌بندی هزاران تراکنش خارج از زنجیره و سپس ایجاد یک اثبات رمزنگاری (ZK-Proof) برای صحت همه آن‌ها، کار می‌کنند. این اثبات فشرده سپس به لایه ۱ (اتریوم) ارسال می‌شود، که به طور چشمگیری بار روی زنجیره اصلی را کاهش داده و توان عملیاتی را افزایش می‌دهد.
ماشین مجازی اتریوم (EVM) و محدودیت‌های فعلی آن
ماشین مجازی اتریوم (EVM)، محیط اجرایی است که تمام قراردادهای هوشمند و تراکنش‌ها روی بلاکچین اتریوم در آن اجرا می‌شوند. در حالی که EVM امکان ایجاد یک پلتفرم قدرتمند و انعطاف‌پذیر را فراهم کرده است، اما به دلیل ماهیت یکپارچه و متوالی پردازش، با محدودیت‌های مقیاس‌پذیری مواجه است که منجر به کارمزدهای بالا و سرعت پایین تراکنش‌ها در زمان‌های اوج بار شبکه می‌شود.
معماری zkEVM به زبان ساده
zkEVM در هسته خود، یک سیستم پیچیده است که با هدف ترکیب قدرت EVM و اثبات‌های دانش صفر طراحی شده. بیایید نگاهی ساده به اجزای اصلی آن بیندازیم:
محیط اجرایی: اجرای قراردادها بدون تغییر کد سالیدیتی
محیط اجرایی zkEVM به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا قراردادهای هوشمند اتریوم (نوشته شده به زبان سالیدیتی) را بدون نیاز به هیچ‌گونه تغییر در کد اصلی‌شان، روی لایه ۲ اجرا کنند. این سازگاری کامل، انتقال و توسعه dAppها را برای جامعه اتریوم بسیار ساده می‌کند.
مدار اثبات: تولید ZK-SNARK یا ZK-STARK برای بسته تراکنش‌ها
پس از پردازش دسته‌ای از تراکنش‌ها در لایه ۲، مدار اثبات (Proving Circuit) یک اثبات رمزنگاری فشرده (ZK-Proof) تولید می‌کند. این اثبات (که معمولاً از نوع ZK-SNARK یا ZK-STARK است) به طور ریاضی ثابت می‌کند که تمام تراکنش‌های موجود در آن بسته، به درستی و بدون آشکارسازی جزئیات خصوصی، اجرا شده‌اند.
قرارداد تأییدکننده روی لایه ۱؛ پل امنیتی با مین‌نت
قرارداد تأییدکننده (Verifier Contract) روی لایه ۱ اتریوم (مین‌نت) مستقر است. این قرارداد، اثبات دانش صفر (Zero-Knowledge Proof) تولید شده توسط لایه ۲ را اعتبارسنجی می‌کند؛ با تأیید این اثبات توسط لایه ۱، صحت کل دسته تراکنش‌ها بدون نیاز به اجرای مجدد آن‌ها، تضمین شده و امنیت بالای اتریوم به Rollup به ارث می‌رسد.
zkEVM چگونه کار می‌کند؟ گام‌به‌گام از ارسال تراکنش تا Finality
اگر می‌خواهید بدانید zkEVM چیست و چگونه کار می‌کند، باید بگوییم zkEVM با ترکیب قدرت محاسباتی خارج از زنجیره و امنیت بلاکچین اصلی اتریوم، فرایند پردازش تراکنش‌ها را متحول می‌کند. بیایید این فرآیند را گام‌به‌گام بررسی کنیم.
تجمیع تراکنش‌ها و محاسبه خارج از زنجیره
هنگامی که کاربران تراکنش‌ها را به یک zkEVM Rollup ارسال می‌کنند، این تراکنش‌ها در دسته‌های بزرگ (Batches) تجمیع می‌شوند. سپس، یک پردازشگر (Prover) این دسته‌ها را به صورت کامل خارج از زنجیره اصلی اتریوم اجرا و محاسبه می‌کند، که این کار باعث افزایش چشمگیر سرعت و کاهش هزینه‌ها می‌شود.
ارسال اثبات اعتبار و ثبت داده فشرده در اتریوم
پس از پردازش، پردازشگر یک اثبات اعتبار رمزنگاری (ZK-Proof) تولید می‌کند که به طور ریاضی صحت تمام تراکنش‌های دسته را تأیید می‌کند. این اثبات به همراه داده‌های فشرده و ضروری تراکنش‌ها، به لایه ۱ (اتریوم) ارسال می‌شود؛ لایه ۱ تنها کافی است این اثبات کوچک را تأیید کند، نه تمام تراکنش‌ها را، که نهایی شدن تراکنش‌ها را بسیار سریع‌تر می‌کند.
مزایای کلیدی zkEVM برای کاربران و توسعه‌دهندگان
zkEVM نه تنها یک پیشرفت فنی است، بلکه مزایای ملموسی برای هر دو گروه کاربران نهایی و توسعه‌دهندگان برنامه‌های غیرمتمرکز (dApps) به ارمغان می‌آورد و پتانسیل اتریوم را به سطوح جدیدی می‌رساند.
مقیاس‌پذیری امن بدون قربانی کردن تمرکززدایی
zkEVM با پردازش هزاران تراکنش در خارج از زنجیره و اثبات صحت آن‌ها با اثبات‌های دانش صفر (ZK-Proofs)، به اتریوم امکان می‌دهد تا به مقیاس‌پذیری بسیار بالا دست یابد. این روش مقیاس‌پذیری، امنیت قوی لایه ۱ اتریوم را حفظ می‌کند و نیازی به کاهش تمرکززدایی گره‌های شبکه ندارد، که یک مزیت حیاتی نسبت به سایر راهکارهای مقیاس‌پذیری است.
کاهش چشمگیر هزینه گس و داده CALLDATA
یکی از بزرگترین مشکلات کاربران اتریوم، هزینه‌های بالای گس (Gas Fees) است. zkEVM با فشرده‌سازی هزاران تراکنش در یک اثبات کوچک و ثبت آن روی لایه ۱، نیاز به فضای ذخیره‌سازی داده (CALLDATA) را به شدت کاهش می‌دهد. این فشرده‌سازی منجر به کاهش چشمگیر کارمزدهای تراکنش برای کاربران می‌شود و استفاده از dApps را مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌سازد.
نهایی‌شدن سریع (Immediate Finality) و کارایی سرمایه در DeFi
برخلاف برخی رولاپ‌های دیگر (مانند Optimistic Rollups که دارای دوره تأخیر برای نهایی شدن هستند)، zkEVMها با اثبات‌های رمزنگاری شده، نهایی شدن تراکنش‌ها را تقریباً فوری می‌کنند. این نهایی شدن سریع (Immediate Finality) برای برنامه‌های DeFi (امور مالی غیرمتمرکز) حیاتی است؛ زیرا به افزایش کارایی سرمایه و اطمینان در معاملات بزرگ کمک می‌کند.
اثر شبکه: استفاده مجدد از ابزارها و کتابخانه‌های اتریوم
برای توسعه‌دهندگان، سازگاری zkEVM با ماشین مجازی اتریوم (EVM) یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود. آن‌ها می‌توانند از ابزارها، زبان‌های برنامه‌نویسی (مانند سالیدیتی)، و کتابخانه‌های موجود در اکوسیستم اتریوم استفاده مجدد کنند و نیازی به یادگیری زبان‌ها یا فریم‌ورک‌های کاملاً جدید ندارند. این امر اثر شبکه اتریوم را تقویت کرده و سرعت توسعه و نوآوری در فضای dAppها را تسریع می‌بخشد.
طبقه‌بندی ویتالیک؛ چهار نوع zkEVM از ۱ تا ۴
در این بخش از بحث zkEVM چیست، می‌خواهیم به طبقه‌بندی ویتالیک بپردازیم. ویتالیک بوترین، خالق اتریوم، zkEVMها را بر اساس سطح سازگاری‌شان با ماشین مجازی اتریوم (EVM) به چهار نوع طبقه‌بندی کرده است. این طبقه‌بندی به درک چالش‌ها و trade-offهای موجود در طراحی zkEVM کمک می‌کند.
نوع ۱: سازگاری کامل با اتریوم – اثبات کند اما بی‌نقص
zkEVM نوع ۱ (Ethereum-Equivalent) کاملاً با اتریوم سازگار است، به این معنی که هیچ تغییری در پروتکل اتریوم ایجاد نمی‌کند. این نوع، بالاترین سطح امنیت و سازگاری را ارائه می‌دهد، اما تولید اثبات‌های دانش صفر در آن‌ها بسیار پیچیده و در نتیجه کند است.
نوع ۲ و ۲٫۵: سازگار با EVM همراه تغییرات جزئی گس
zkEVM نوع ۲ (EVM-Equivalent) تقریباً به طور کامل با EVM سازگار است اما ممکن است تغییرات جزئی در نحوه محاسبه گس یا بخش‌های خاصی از EVM ایجاد کند تا تولید اثبات آسان‌تر شود. نوع ۲.۵ مشابه نوع ۲ است؛ اما برای سرعت بخشیدن به تولید اثبات، برخی بهینه‌سازی‌های اضافی را معرفی می‌کند که می‌تواند نیازمند تغییرات کوچکتر در ابزارهای توسعه باشد.
نوع ۳: تقریباً سازگار؛ سرعت بالاتر، بازنویسی محدود کد
zkEVM نوع ۳ (Almost EVM-Compatible) سازگاری بالایی با EVM دارد اما برای سرعت بخشیدن به تولید اثبات، برخی ویژگی‌های EVM را حذف یا اصلاح می‌کند. این بهینه‌سازی‌ها ممکن است نیاز به بازنویسی محدود کد قراردادهای هوشمند یا تغییر در ابزارهای توسعه داشته باشد.
نوع ۴: سازگار در سطح زبان؛ اثبات بسیار سریع، آدرس جدید قراردادها
zkEVM نوع ۴ (Language-Compatible) فقط در سطح زبان برنامه‌نویسی (مانند سالیدیتی) سازگار است، به این معنی که قراردادهای سالیدیتی می‌توانند در آن اجرا شوند اما معماری زیربنایی EVM را به طور کامل تقلید نمی‌کند. این نوع zkEVM می‌تواند اثبات‌های بسیار سریع تولید کند اما ممکن است آدرس‌های قراردادهای هوشمند متفاوت باشند و نیازمند ابزارهای جدیدی برای توسعه باشد.
چالش‌های فنی ساخت zkEVM
ساخت یک zkEVM، علیرغم مزایای چشمگیرش، با چالش‌های فنی بسیار پیچیده‌ای همراه است که نیازمند نوآوری‌های عمیق در رمزنگاری و مهندسی نرم‌افزار است.
معماری مبتنی بر پشته EVM و پیچیدگی مدارها
ماشین مجازی اتریوم (EVM) بر اساس یک معماری مبتنی بر پشته (Stack-based architecture) عمل می‌کند که پیاده‌سازی آن در مدارهای دانش صفر (ZK Circuits) بسیار پیچیده است. هر عملیات EVM باید به یک سری از محاسبات قابل اثبات در مدار ZK تبدیل شود که این فرآیند ذاتاً دشوار و نیازمند طراحی دقیق است.
سربار ذخیره‌سازی Merkle-Trie و Keccak
ساختار داده Merkle-Trie که EVM برای مدیریت وضعیت حساب‌ها و ذخیره‌سازی استفاده می‌کند، و همچنین الگوریتم هشینگ Keccak، سربار محاسباتی زیادی را در مدارهای دانش صفر ایجاد می‌کنند. اثبات صحیح این ساختارها و هش‌ها در محیط ZK بسیار هزینه‌بر و پیچیده است.
هزینه بالای تولید اثبات و نیاز به سخت‌افزار خاص
تولید اثبات‌های دانش صفر (ZK-Proofs)، به ویژه برای تراکنش‌های پیچیده EVM، عملیاتی بسیار هزینه‌بر از نظر محاسباتی است. این فرآیند نیازمند سخت‌افزار تخصصی و قدرتمند مانند پردازنده‌های گرافیکی یا FPGA/ASIC است که می‌تواند به چالش تمرکززدایی منجر شود و هزینه‌های عملیاتی را بالا ببرد.
نمونه‌های عملی و نبرد پروژه‌ها
در بحث zkEVM چیست، باید بدانید رقابت فشرده‌ای بین پروژه‌های مختلف برای توسعه و عرضه zkEVMهای کارآمد در جریان است، که هر یک رویکرد و نقاط قوت خاص خود را دارند.
Polygon zkEVM؛ از Hermez تا معادل تقریباً کامل EVM
Polygon zkEVM، که از پروژه Hermez نشأت گرفته، به دنبال دستیابی به یک zkEVM تقریباً معادل EVM (Type 2) است. این پروژه بر روی ارائه سازگاری بالا با EVM و ابزارهای اتریوم تمرکز دارد تا مهاجرت dApps را آسان کند.
zkSync Era؛ نوع ۴ با کامپایل از Solidity به زبان Yul
zkSync Era یک zkEVM نوع ۴ (Language-Compatible) است که کد Solidity را به زبان میانی Yul کامپایل می‌کند و سپس آن را به مدار ZK تبدیل می‌کند. این رویکرد به آن‌ها اجازه می‌دهد اثبات‌های بسیار سریع‌تری تولید کنند، اما با برخی تفاوت‌ها در سطح EVM همراه است.
Scroll؛ پیاده‌سازی مدار برای هر Opcode بومی EVM
Scroll بر روی پیاده‌سازی یک zkEVM نوع ۲ (EVM-Equivalent) تمرکز دارد که هدف آن مطابقت دقیق با EVM در سطح Opcode (کد عملیاتی) است. این پروژه با ایجاد یک مدار اثبات برای هر Opcode بومی EVM، سازگاری کامل را تضمین می‌کند.
ConsenSys zkEVM و دیگر رقبا در راه
ConsenSys zkEVM یکی دیگر از بازیگران مهم در این فضا است که توسط تیم پشت Metamask و Infura توسعه می‌یابد و به دنبال ارائه یک zkEVM با عملکرد بالا برای توسعه‌دهندگان سازمانی است. علاوه بر این، پروژه‌های دیگری مانند Taiko و Linea نیز در حال توسعه zkEVMهای خود هستند و رقابت در این حوزه بسیار فشرده است.
مقایسه zkEVM با Optimistic Rollup و سایر راه‌حل‌ها
zkEVM و Optimistic Rollup هر دو راهکارهای مقیاس‌پذیری لایه ۲ برای اتریوم هستند، اما رویکردها و ویژگی‌های کلیدی متفاوتی دارند.
دوره چالش در اپتیمیستیک در برابر Finality آنی در ZK
Optimistic Rollupها برای تضمین امنیت خود به یک دوره چالش (Challenge Period) متکی هستند که در آن امکان اثبات تقلب وجود دارد؛ این دوره معمولاً چندین روز طول می‌کشد و باعث تأخیر در نهایی شدن تراکنش‌ها می‌شود. در مقابل، zkEVMها با استفاده از اثبات‌های دانش صفر (ZK-Proofs)، نهایی شدن (Finality) آنی یا بسیار سریع تراکنش‌ها را فراهم می‌کنند، زیرا صحت محاسبات به صورت ریاضی تضمین شده است.
حجم داده روی زنجیره و تأثیر بر هزینه گس
Optimistic Rollupها برای امنیت خود، تمام داده‌های خام تراکنش را روی زنجیره اصلی (لایه ۱) منتشر می‌کنند که منجر به حجم داده بیشتر و هزینه گس بالاتر می‌شود. در حالی که zkEVMها با فشرده‌سازی بسیار بالای تراکنش‌ها و ارسال تنها یک اثبات فشرده به لایه ۱، حجم داده روی زنجیره را به شدت کاهش می‌دهند که در نتیجه هزینه گس را به طور چشمگیری پایین می‌آورد.
کاربردهای واقعی zkEVM فراتر از کاهش کارمزد
zkEVM فراتر از صرف کاهش کارمزدها، امکانات جدید و جذابی را برای اکوسیستم اتریوم و وب۳ باز می‌کند که تجربه کاربری را به طور اساسی تغییر می‌دهد.
DeFi سریع‌تر؛ وام‌دهی، صرافی و استیبل‌کوین‌ها
zkEVMها با فراهم آوردن نهایی شدن (finality) تقریباً آنی و کارمزدهای بسیار پایین، پروتکل‌های دیفای (DeFi) را متحول می‌کنند. این امکان باعث می‌شود تا فعالیت‌هایی مانند وام‌دهی و وام‌گیری، مبادلات در صرافی‌های غیرمتمرکز (DEX) و تراکنش‌های استیبل‌کوین به شکل فوق‌العاده‌ای سریع‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر شوند، و فرصت‌های جدیدی در فضای مالی غیرمتمرکز ایجاد شود.
بازی‌های آن‌چین و بازارهای NFT با کارمزد نزدیک به صفر
zkEVMها با توانایی پردازش حجم عظیمی از تراکنش‌ها با کارمزد نزدیک به صفر، پتانسیل واقعی بازی‌های تماماً آن‌چین (On-chain Gaming) و بازارهای توکن‌های غیرمثلی (NFT Marketplaces) را آزاد می‌کنند. این امر به توسعه‌دهندگان بازی امکان می‌دهد تا تعاملات پیچیده‌تر و لحظه‌ای را روی بلاکچین بسازند و تجربه کاربری در بازارهای NFT را با حذف هزینه‌های بالای تراکنش بهبود بخشند.
حریم خصوصی سازمانی و پرداخت‌های میکرو
مزایای حریم خصوصی اثبات‌های دانش صفر می‌تواند برای کاربردهای سازمانی که نیاز به محرمانگی داده‌ها دارند مانند مدیریت زنجیره تأمین یا تراکنش‌های مالی محرمانه بسیار مفید باشد. همچنین، هزینه‌های فوق‌العاده پایین تراکنش، امکان پرداخت‌های میکرو (Micro-payments) را در مقیاس وسیع فراهم می‌آورد که می‌تواند مدل‌های کسب‌وکار جدیدی را در فضای وب۳ فعال کند.
آینده zkEVM و سناریوهای تأثیر بر اقتصاد اتریوم
آینده zkEVM بسیار روشن به نظر می‌رسد و می‌تواند تأثیرات عمیقی بر ساختار و اقتصاد شبکه اتریوم داشته باشد، از جمله نحوه تعامل لایه‌های مختلف و پویایی بازار.
امکان ادغام در پروتکل اصلی (Layer‐1 Enshrined Rollup)
در بلندمدت، این احتمال وجود دارد که برخی از رولاپ‌های ZK (ZK-Rollups)، از جمله zkEVMها، به صورت مستقیم در پروتکل اصلی اتریوم (لایه ۱) ادغام شوند (Enshrined Rollup). این ادغام می‌تواند به معنی افزایش امنیت و کارایی آن‌ها، و ساده‌سازی بیشتر تجربه کاربری باشد، به طوری که مرز بین لایه ۱ و لایه ۲ برای کاربر نهایی محو شود.
رقابت پروژه‌ها و اثر احتمالی بر قیمت گس و توکن‌های L2
رقابت بین پروژه‌های مختلف zkEVM و سایر راه‌حل‌های لایه ۲ به شدت افزایش خواهد یافت، که این رقابت به نفع کاربران است.
با افزایش ظرفیت پردازش تراکنش‌ها و کاهش کارمزدها در لایه ۲، فشار بر قیمت گس (Gas Price) در لایه ۱ اتریوم به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. همچنین، این رقابت و کارایی بالا می‌تواند بر ارزش و پویایی توکن‌های L2 تأثیرگذار باشد، زیرا کاربران بیشتری به سمت راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر جذب می‌شوند.
سؤالات متداول درباره zkEVM
- zkEVM دقیقاً چیست؟ zkEVM سیستمی است که اثبات‌های دانش صفر را با ماشین مجازی اتریوم (EVM) ترکیب می‌کند تا مقیاس‌پذیری و امنیت آن را افزایش دهد.
- چرا zkEVM برای اتریوم مهم است؟ این فناوری با کاهش هزینه‌های گس و افزایش سرعت تراکنش‌ها، اتریوم را برای استفاده گسترده‌تر آماده می‌کند.
- تفاوت zkEVM با Optimistic Rollup چیست؟ zkEVM نهایی شدن آنی تراکنش‌ها را ارائه می‌دهد، در حالی که Optimistic Rollup دارای یک دوره چالش برای تأیید نهایی است.
جمع‌بندی؛ چرا zkEVM می‌تواند معمای «سه‌گانه مقیاس‌پذیری» را حل کند!
zkEVM با ترکیب اثبات‌های دانش صفر و سازگاری با EVM، یک راه‌حل انقلابی برای معمای سه‌گانه بلاکچین ارائه می‌دهد. این فناوری به اتریوم اجازه می‌دهد تا همزمان به مقیاس‌پذیری عظیم، امنیت بی‌نظیر لایه یک و تمرکززدایی قوی دست یابد، چرا که تراکنش‌ها خارج از زنجیره با امنیت ریاضی پردازش می‌شوند.
zkEVM نه تنها نویدبخش کارمزد کمتر و سرعت بیشتر است، بلکه پتانسیل واقعی اتریوم را برای پذیرش گسترده در کاربردهای مختلف آزاد می‌کند.
