Detailed explanation of Metis's technical advantages, opening a new chapter in decentralization

撰文：Biteye 核心贡献者 Wilson Lee

Editor: Crush, core contributor of Biteye

01 背景介绍

4 月 10 日，A16z Crypto 发布了零知识解决方案 Jolt，以加速和简化BlockchainExtended operations.

Jolt 集成了 SNARK（非交互式简洁Zero knowledge proof），可以让开发人员快速创建基于 SNARK 的 L2 解决方案。团队还表示，Jolt 比目前的 zkVMs 快达 2 倍。

ZK 技术是加密行业贯穿周期的主线之一，ZK-Rollup 更是被 Vitalik 称作以太坊扩容长期的解决方案。A16z 从去年 8 月推出 Jolt 到今年正式发布，表明了 ZK-Rollup 仍是长坡厚雪的赛道。

ZK-Rollup 已经有众多玩家入局，已经形成了更加细分的技术类别来区分项目之间的差异性，对 EVM 的兼容性是最具代表性的分类标准。

EVM 由于历史性的原因，存在大量的 ZK 不友好设计，然而大量现有项目在早期又是基于 EVM 构建的，且 ZK-Rollup 还被视作未来的扩容方案，因此绝大部分 ZK-Rollup 项目都天然面对着更兼容 EVM 还是更兼容 ZK 的权衡。

由 Metis DAO 孵化的 ZKM 则是从更底层的角度出发，提出了通用性的 zkMIPS 方案。

zkMIPS 通过使用更底层的 MIPS 指令集来实现程序执行过程到 ZKP 的转换，除了兼容 EVM 外，可以兼容其他的 VM，例如 MoveVM 和 RustVM，让 ZK-Rollup 能够面向更多元的开发者敞开大门。

本文将为读者深度解读 Metis 在 ZK 和去中心化 Sequencer 上的努力与进展。

02 ZKM 与 Hybrid Rollups：OP 与 ZK 的调和

Metis 能够在市场中取得亮眼表现，离不开其创新的 Hybrid Rollups 机制，即将欺诈证明和有效性证明相结合，从而兼具两者的优点。

ZKM 的 zkMIPS 技术又为 Metis 的 Hybrid Rollups 提供坚实的兼容性支持，让 Metis 实现 ZK 和 EVM 的有机融合。

2.1 Hybrid Rollups 的机制与优点

在 Hybrid Rollups 中，关键角色包括：

• Sequencer：负责接收和处理用户交易，确定交易的最佳顺序，并将其打包发布到共识和数据可用性层。

• Proposers：评估 Sequencer 提交的交易和状态根，记录到状态承诺链（State Commitment Chain, SCC）中。

• Verifiers：验证 Rollup 链上的状态根，确保交易的正确性并防止欺诈行为。

在标准的 L2 解决方案中，Sequencer 收集并处理交易，然后将交易数据发布到以太坊主网（L1）。这个过程需要 L1 进行最终的数据验证和确认，从而确保Safety性和一致性。

（来源：https://mirror.xyz/msfew.eth/WQJaOcFkpTOZLns8MBQaCS4OepRoaZ7uoctnLAnalVw）

Hybrid Rollups 在处理和优化 L2 交易时采取了一种混合方法，具体步骤如下：

1. 交易的发起和处理：

• 用户在 L2 发起交易。

• Sequencer 接收并处理这些交易，决定它们在规范交易链（Canonical Transaction Chain, CTC）中的顺序。

2. 状态提交和验证：

• Proposers 评估交易后提交状态根到 SCC。

• Verifiers 对 SCC 中的状态根进行审核，确保其准确无误。

3. Zero knowledge proof的生成和验证：

• Prover 从 L1 读取数据，生成 ZK 证明，这一点是 Hybrid Rollups 的关键特性，允许系统在不泄露具体交易内容的情况下验证交易的有效性。

• 一旦 ZK 证明生成，如果未按时提交，Verifier 会启动欺诈证明流程，可能会对 Sequencer 进行惩罚。

4. 数据和状态的最终确认：

• 通过智能contract，一旦 ZK 证明被验证通过，交易最终确定。

• L1 和 L2 之间通过智能contract桥接，确保资金和状态的Safety转移。

Hybrid Rollups 的设计提供了多个显著优势：

• 效率和成本效益：通过使用 ZK 证明，Hybrid Rollups 能够在消耗更少的 gas 的同时，处理更多的交易。

• 增强的Safety性：结合了传统的欺诈证明和 ZK 证明，即使在遇到潜在的恶意行为时也能保障交易的Safety和正确性。

• 可扩展性：利用递归证明，Hybrid Rollups 能够处理大规模的交易而不牺牲性能，支持更广泛的Blockchain应用。

• 兼容性和灵活性：支持多种智能contract和编程语言，使得开发者能够轻松地将现有应用迁移到 Hybrid Rollups 上。

2.2 zkMIPS 如何实现良好的 ZK 兼容性

ZK 的核心思想是将程序执行过程转换成可以简单验证的数学证明，让所有人都能够轻易验证程序执行的正确性，且不需要重复执行程序，其中的难点在于如何将任意的程序逻辑转变成相对稳定的数学证明。

开发者通常使用高级语言来进行程序的开发，而不同的高级语言则使用不同的逻辑与硬件「对话」。

因此，现有的 ZK 项目的实现路径通常互不兼容。Scroll 直接为 EVM 的每个操作码编写电路，实现了操作码级别的等效，其准确地反映了 EVM，但带来了巨大的工程量；

Polygon zkEVM 则创建了具有优化性能的自定义 VM，将 EVM 字节码直接转换为 VM 的字节码，更高效地实现了操作码级别的等效性，但大量自定义代码的引入可能在长期偏离 EVM；

zkSync 则创建了自己的 VM (SyncVM)，并基于寄存器定义了自己的代数中间表示 (AIR)，然后构建了一个专门的编译器来将 Yul（一种中间语言，可以编译为不同 EVM 版本的字节码，认为是较低级别的 Solidity）编译成 LLVM-IR，然后将其编译成自定义 Xiaobai NavigationVM 的指令，从而实现了 Solidity 级别的兼容，但其无法直接使用现有的以太坊工具，语言之间的转换也可能需要重新审计程序；

StarkNet 则放弃 EVM 兼容，直接使用自己的低级语言 (Cairo) 运行自定义智能合约 VM (Cairo VM)，来获得极致的 ZK 效率。

相比于上述项目的解决方案，ZKM 选择了一条更具包容性的道路：zkMIPS。

MIPS，全称为「Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages」，是一种设计简洁的微处理器指令集，始于 1985 年 。

MIPS 的基本原则是将复杂的微处理器指令简化至最基本形式，这样做不仅提高了处理速度，还降低了执行程序时的复杂性。

在 zkMIPS 系统中，这种指令集被用来实现程序到 ZK 证明的转换。

zkMIPS 的实现过程如下：

• 程序到 MIPS 的转换：首先，高级编程语言（如 Solidity 或 Rust）编写的智能合约或程序被编译成 MIPS 指令集。这一步是将较高级别的抽象转换成可以在硬件级别执行的具体操作。

• 生成 ZK 证明：随后，这些 MIPS 指令被用来生成对应的零知识证明。由于 MIPS 的简化特性，这一步在计算上更为高效，可以更快地产生证明而不牺牲Safetysex.

zkMIPS 的优势

• 兼容性：zkMIPS 不仅支持 EVM 兼容的 Solidity，还能支持如 Rust 和 Move 等其他主流开发语言。这使得 zkMIPS 能够服务于更广泛的Blockchain开发生态系统，从而带来更多的应用可能性。

• 成本效益：由于 MIPS 指令集的高效性，zkMIPS 在生成零知识证明时能显著降低运算成本，增加了系统的整体可持续性。

• 递归证明：zkMIPS 支持递归证明，可以将多个证明聚合成一个更易管理的单元，这在提高系统可扩展性方面至关重要。

实际上，MIPS 的优势已经被 Optimism 等项目集成。Optimism 的 Cannon 机制就是将执行过的程序转换成 MIPS，从而方便执行过程被挑战时更加简单高效地查找错误和重新执行。

Metis 也跟进了这一趋势，将 Cannon 集成到其生态系统中，这也进一步验证了 zkMIPS 技术的实用性和效率。

03 去中心化 Sequencer：去中心化与可持续性

除了使用 Hybrid Rollups 来综合 OP 和 ZK 的优点之外，Metis 还积极推进去中心化 Sequencer 的落地，为 Rollup 树立去中心化的表率。

在传统的 Rollup 模型中，单一的 Sequencer 虽然能有效处理交易和数据，但也集中了极大的权力，可能导致多种风险：

• 操作风险：如果 sequencer 发生故障或者遭受攻击，整个系统的交易处理将会被阻断。

• 审查风险：sequencer 有能力选择性地处理或拒绝交易，这可能限制用户访问特定的去中心化金融（DeFi）协议或服务。

• 操纵风险：在交易排序中，sequencer 可能优先处理自身的交易，通过提高交易费用来获取不正当利益，即最大可提取价值（MEV）。

为了解决上述问题，Metis 设计了一个去中心化的 Sequencer 池，该池由多个 Sequencer 节点组成，共同完成交易的聚合、排序和执行。这一设计确保了系统的公正性和透明度：

• 共识机制：超过三分之二的 Sequencer 节点必须就每个新区块的状态达成共识，之后才能将交易批次提交到以太坊主网（L1）。

• 多方计算（MPC）签名：在交易批次提交到 L1 之前，通过 MPC 签名验证批次的真实性，确保数据的正确无误。

去中心化 Sequencer 的优势：

• 增强安全性：通过多个节点共同决策，降低了单点失败的风险，增加了网络的鲁棒性和安全性。

• 降低审查和操纵的可能性：多个 Sequencer 的存在使得单一节点难以操纵或审查交易，保护了用户的交易自由。

• 稳定性和冗余：系统支持 Sequencer 的平滑轮换，最小化了故障或中断的影响，提高了整个网络的稳定性。

在 Metis 的去中心化 Sequencer 模型中，每个节点都由几个关键组件组成：

• L2 Geth（包括 OP-Node）：负责交易排序和区块组装。

• 适配器模块：作为与其他外部模块（主要是 PoS 节点）交互的中介。

• 批次提交者（Proposer）：负责构建交易批次并在获得多个 Sequencer 的认可后提交到 L1。

• PoS 节点：在以太坊、共识和 Metis 层之间进行协调，确保资产的安全锁定并奖励验证者。

• 共识层：包含一组与以太坊主网并行运行的 Tendermint PoS 节点，保证操作效率而不妨碍主网的进程。

（来源：https://ethresear.ch/t/pos-sequencer-pool-decentralizing-an-optimistic-rollup/16760）

通过这种设计，Metis 的去中心化 Sequencer 池不仅提高了交易处理的公正性和透明度，还通过分散权力来增强了网络的安全性和稳定性，这些都是构建可信和可持续Blockchain生态系统的关键要素。

04 总结与展望

Metis 在技术和理念上的优势为未来的进一步发展打造了坚实的基础。其基于 zkMIPS 的 Hybrid Rollups 有望能够为 ZK-Rollup 解决兼容性的问题，从来带来更多元的开发者生态；

对于去中心化 Sequencer 的推进则展现了团队追求去中心化的愿景。随着 Metis 的生态不断成熟，我们有理由相信 Metis 会在未来的 L2 竞争中成为持续奔跑的黑马，为用户和开发者创造源源不断的价值。

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