zkEVM pour la vérification des blocs L1

zkEVM est une technologie qui utilise des preuves à divulgation nulle de connaissance pour vérifier l'exécution des blocs Ethereum. Au lieu d'exiger que chaque réexécute toutes les transactions d'un bloc, un seul acteur spécialisé (appelé « prouveur ») exécute le bloc et génère une preuve cryptographique que l'exécution était correcte. N'importe quel nœud peut ensuite vérifier cette preuve — un processus qui est des ordres de grandeur moins coûteux que la réexécution de toutes les transactions.

Le problème de la réexécution

Aujourd'hui, Ethereum utilise un modèle de vérification « N-sur-N » : chaque validateur doit réexécuter indépendamment chaque transaction dans chaque bloc pour vérifier que les changements d'état proposés sont corrects. Bien que cette approche minimise au maximum le besoin de confiance, elle crée un goulot d'étranglement fondamental.

Le problème est que le débit d'Ethereum est limité par ce que le validateur moyen peut traiter. Augmenter la permettrait plus de transactions par bloc, mais cela augmenterait également les exigences matérielles pour les validateurs. Cela menace la décentralisation — si l'exécution d'un validateur nécessite un matériel coûteux, moins de personnes peuvent participer à la sécurisation du réseau.

zkEVM offre une issue à ce compromis. En passant de « tout le monde réexécute » à « un seul prouve, tout le monde vérifie », Ethereum peut augmenter en toute sécurité la limite de gaz sans augmenter les exigences matérielles des validateurs.

Comment fonctionne la vérification L1 zkEVM

La vérification zkEVM transforme la validation des blocs en un modèle « 1-sur-N » :

1. Exécution : Un prouveur exécute toutes les transactions d'un bloc, en suivant chaque changement d'état
2. Preuve : Le prouveur génère une preuve cryptographique (un SNARK ou STARK) qui atteste de l'exactitude de l'exécution
3. Vérification : Les validateurs vérifient la preuve au lieu de réexécuter les transactions — c'est considérablement moins cher qu'une réexécution complète

La garantie de sécurité reste la même : si l'exécution était incorrecte, aucune preuve valide ne peut être générée. Mais maintenant, au lieu que chaque nœud effectue des calculs coûteux, seul le prouveur le fait — et la vérification est suffisamment bon marché pour ne pas contraindre la limite de gaz.

zkEVM de Type 1

Les zkEVM sont classés en types en fonction de leur compatibilité avec Ethereum :

• Type 1 : Totalement équivalent à Ethereum. Aucune modification de l'EVM, donc n'importe quel bloc Ethereum peut être prouvé exactement tel quel
• Type 2-4 : Font divers compromis, modifiant le comportement de l'EVM pour faciliter la preuve

Pour la vérification L1, le Type 1 est essentiel. Le zkEVM doit être capable de prouver n'importe quel bloc Ethereum valide, y compris les cas particuliers et les blocs historiques. Toute déviation par rapport au comportement exact d'Ethereum créerait des problèmes de consensus.

La recherche sur les zkEVM de la Fondation Ethereum se concentre sur les implémentations de Type 1 qui sont entièrement compatibles avec l'exécution Ethereum existante.

Avantages pour Ethereum

Débit plus élevé

Lorsque la vérification est peu coûteuse, la limite de gaz peut augmenter en toute sécurité. Cela étend la capacité du réseau et aide à stabiliser les frais pendant les périodes de forte demande. La limite de gaz actuelle est en partie contrainte par le matériel des validateurs — zkEVM supprime cette contrainte.

Décentralisation plus forte

Avec la vérification zkEVM, les validateurs n'ont besoin que de vérifier les preuves plutôt que d'exécuter les transactions. Cela réduit considérablement les exigences matérielles pour exécuter un validateur, permettant à plus de personnes de participer à la sécurisation du réseau. Une plus grande diversité des validateurs renforce la résistance à la censure et la résilience d'Ethereum.

Notez que la preuve elle-même nécessite des ressources de calcul importantes, supérieures à celles du matériel actuel des validateurs. Cependant, contrairement à la validation, la preuve n'a pas besoin d'être décentralisée de la même manière : une seule preuve correcte est nécessaire par bloc, et n'importe qui peut la vérifier rapidement. La recherche sur les marchés de prouveurs, l'agrégation de preuves et l'accélération matérielle vise à garantir que la preuve reste compétitive et accessible plutôt que concentrée entre quelques grands opérateurs.

Finalité prévisible

La vérification des preuves s'opère en temps constant, quelle que soit la complexité du bloc. Cela rend le délai d'attestation plus prévisible et réduit les attestations manquées qui peuvent survenir lorsque les validateurs ont du mal à traiter les blocs complexes à temps.

Défis de la preuve en temps réel

Le principal défi pour la vérification L1 zkEVM est la vitesse. Les blocs Ethereum sont produits toutes les 12 secondes, ce qui signifie que les preuves doivent être générées dans un délai similaire pour être utiles au consensus.

Les implémentations actuelles de zkEVM peuvent prendre des minutes, voire des heures, pour prouver un seul bloc. La recherche se concentre sur la réduction de cet écart grâce à :

• Parallélisation : Répartition du travail de preuve sur plusieurs machines
• Matériel spécialisé : Conception de circuits et de matériel optimisés pour la preuve ZK
• Améliorations algorithmiques : Systèmes de preuve et conceptions de circuits plus efficaces
• Preuve incrémentale : Génération de preuves au fur et à mesure de l'exécution des transactions, plutôt qu'après

Recherche et implémentations actuelles

La Fondation Ethereum finance la recherche sur les zkEVM par l'intermédiaire de l'équipe Privacy Stewards of Ethereum (PSE) (opens in a new tab). Les principales pistes de recherche comprennent :

• Preuve en temps réel : Génération de preuves de blocs complets dans des créneaux de 12 secondes
• Intégration des clients : Standardisation des interfaces entre les clients d'exécution et les prouveurs
• Incitations économiques : Conception de marchés de prouveurs et de structures de frais durables

État de l'implémentation

Plusieurs implémentations de zkVM sont en cours de développement et de test pour la preuve de blocs Ethereum :

Celles-ci utilisent des machines virtuelles basées sur RISC-V pour exécuter le bytecode EVM, puis génèrent des preuves ZK d'une exécution correcte. Les résultats des tests et les progrès à jour sont suivis sur le suivi zkVM de la Fondation Ethereum (opens in a new tab).

Comment zkEVM s'intègre aux autres mises à niveau

La vérification L1 zkEVM est liée à plusieurs autres éléments de la feuille de route d'Ethereum :

• Arbres Verkle : Permettent des témoins plus petits pour une vérification sans état, réduisant les données avec lesquelles les prouveurs doivent travailler
• Absence d'état (Statelessness) : zkEVM est un catalyseur clé — avec les preuves ZK d'exécution, les nœuds n'ont pas besoin de l'état complet pour vérifier les blocs
• PBS : Les constructeurs de blocs pourraient potentiellement intégrer la génération de preuves, ou un marché de prouveurs distinct pourrait émerger
• Finalité à créneau unique (Single Slot Finality) : Une génération de preuves plus rapide pourrait permettre une finalité à créneau unique avec des garanties cryptographiques

Complément d'information

• Fondation zkEVM (opens in a new tab) - Centre de recherche officiel sur les zkEVM de la Fondation Ethereum
• Ethproofs (opens in a new tab) - Suivez la course pour prouver Ethereum en temps réel
• zkevm.fyi (opens in a new tab) - Livre technique sur zkEVM pour la L1
• Spécifications zkEVM du PSE (opens in a new tab) - Spécifications techniques
• The Verge (opens in a new tab) - Aperçu de Vitalik sur les améliorations de la vérification
• Blog zkEVM de l'EF (opens in a new tab) - Analyse des performances par l'équipe de l'EF