Autor: LINDABELL

Na nedávné konferenci Devcon předložil klíčový člen Ethereum Foundation Justin Drake návrh Beam Chain, který plánuje vylepšit konsensuální vrstvu Etherea pomocí technologií zkSNARK a zkVM, aby zvýšil škálovatelnost, bezpečnost a efektivitu sítě. Tato vize také znovu zaměřila pozornost na důležitost technologie zkVM. Jako univerzální virtuální stroj nulových znalostí může zkVM zpracovávat složité výpočty flexibilněji a efektivněji a zároveň se zbavit závislosti na tradiční logice chytrých kontraktů.

Pod vlivem tohoto trendu jsou projekty jako RISC Zero, Succinct a Cysic považovány za důležité účastníky, kteří podporují inovace v tomto oboru. Mezi nimi RISC Zero, založený na architektuře RISC-V, vyvinul řadu open-source nástrojů, jako jsou Zeth, Kailua a Bonsai, které nejen zvyšují výkonnost ověřování bloků a Rollup, ale také poskytují technologickou podporu pro zk upgrade Etherea.

Matice produktů RISC zkVM: od klíčové technologie po aplikační scénáře

RISC Zero je implementace zkVM založená na architektuře instrukčního setu RISC-V. Jako univerzální platforma pro nulové znalosti podporuje různé hlavní programovací jazyky, jako jsou Rust a C++, a téměř může vykonávat jakýkoli výpočetní úkol. Na rozdíl od jiných platforem pro technologii nulových znalostí jsou důkazci a ověřovatelé RISC Zero zcela otevřený zdroj, což umožňuje vývojářům generovat a ověřovat důkazy lokálně. Navíc je ověřovatel RISC Zero kompatibilní s různými platformami, což usnadňuje vývoj decentralizovaných aplikací.

V červnu tohoto roku RISC Zero vydala zkVM 1.0. zkVM 1.0 podporuje nejen různé jazyky a složité výpočetní úkoly, ale také využívá technologii Continuations k rozdělení velkých výpočtů na několik menších segmentů, což umožňuje efektivní paralelní výpočty a ověřování. Podle plánu RISC Zero plánuje do konce roku 2024 dosáhnout 20násobného zvýšení výkonu a snížení nákladů zkVM, což zahrnuje úplný přesun procesu důkazů na GPU (80% dokončeno), zavedení nových obvodových návrhů RISC-V v2 a specializované optimalizace pro rekurzivní obvody. RISC Zero také integruje řadu akcelerátorů pro algoritmy jako RSA, Keccak, ECDSA atd., aby zlepšila výkon úkolů souvisejících s Ethereem a kryptografických operací.

Kolem klíčových schopností zkVM vyvinul RISC Zero také řadu open-source nástrojů a produktů. Například prostřednictvím sítě Bonsai mohou vývojáři generovat důkazy bez potřeby specializovaného hardwaru; nástroj Steel umožňuje přesunout složité výpočty EVM do off-chain prostředí, přičemž uchovává výsledky ověřitelné a snižuje náklady na vykonávání na řetězci; Blobstream Zero pak prostřednictvím mostu Celestia Data Availability Layer poskytuje více možností pro sdílení a ověřování dat v modulárních blockchainových ekosystémech.

Zeth: Důkaz, že celý blok Etherea byl správně sestaven

Zeth je open-source Ethereum zero-knowledge block prover vyvinutý RISC Zero na základě jeho technologie zkVM, který umožňuje ověřit platnost bloků Etherea prostřednictvím důkazů nulových znalostí, aniž by se spoléhal na tradiční ověřovatele nebo synchronizační výbory. RISC Zero definuje Zeth jako Type-0 zkEVM, který je plně kompatibilní s Ethereum protokolem a zároveň zvyšuje vývojovou efektivitu prostřednictvím opětovného využití kódu.

Spoluzakladatel Etherea Vitalik Buterin ve svém článku „Různé typy zk-EVM“ rozdělil zkEVM do čtyř kategorií, přičemž typ-1 usiluje o plnou a nekompromisní ekvivalenci s Ethereem; typ-2 se soustředí na plnou ekvivalenci s EVM, ale ne zcela s Ethereem; typ-3 je téměř ekvivalentní EVM; typ-4 je zcela nekompatibilní s Ethereem.

Díky vysokému výkonu RISC Zero zkVM je Zeth schopen dokončit ověřování bloků Etherea během několika minut. Testovací data ukazují, že Zeth může generovat důkazy bloků rychlostí 1,1 MHz a pomocí vlastnosti „pokračování (continuations)“ rozšířit GPU clustery, což zvyšuje rychlost na 4,7 MHz až 6,3 MHz. Tato optimalizace výkonu také snižuje náklady na generování důkazů. Podle testu, blok obsahující 182 transakcí měl náklady na generování důkazů pouze 21,72 dolarů, což představuje přibližně 0,11 dolarů na každou transakci.

Během vývoje Zeth tým RISC Zero plně využil komponenty ekosystému Rust, jako jsou revm, ethers a alloy, což umožňuje vývojářům rychle implementovat funkčnost důkazů bloků a aplikovat ji v různých scénářích. Tento design poskytuje vývojářům více flexibility, aby mohli upravit logiku sestavení bloků podle potřeby a přizpůsobit se budoucím návrhům na zlepšení Etherea.

Na aplikační úrovni Zeth nabízí efektivní řešení pro zk Rollup, lehké klienty a meziblokové mosty. Tradiční výstavba zk Rollup a zkEVM vyžaduje značné množství času a financí, což malé týmy odrazuje. Zeth, postavený na modulární architektuře zkVM, umožňuje vývojářům snadno přizpůsobit logiku ověřování bloků. Například:

  • zk Rollup: Zeth může rychle realizovat důkaz bloků, což může zkrátit vývojový cyklus ZK Rollup a snížit investice.

  • Lehký klient: Ověření platnosti bloků bez nutnosti znovu sestavovat bloky, což snižuje provozní náklady.

  • Meziblokový most: Zeth může pomocí ZKP ověřit správnost meziblokových dat bez odhalení citlivých informací na řetězci, což snižuje závislost na důvěře třetích stran a snižuje riziko meziblokových útoků.

V květnu tohoto roku Zeth úspěšně rozšířil podporu pro extrakci dat bloků Optimism z hlavní sítě Etherea a generování ZKP k ověření správnosti bloků, a také podporuje ověřování na řetězci. To znamená, že pomocí Zeth může Optimism efektivněji ověřovat transakce a řešit spory.

Bonsai: Umožňuje vývojářům generovat důkazy bez použití vlastního hardwaru

Bonsai je služba vzdáleného dokazování navržená speciálně pro aplikace zkVM, která umožňuje vývojářům generovat důkazy bez použití vlastního hardwaru, čímž řeší konflikt mezi omezenými výpočetními zdroji na řetězci a vysokými náklady. Prostřednictvím Bonsai mohou vývojáři jednoduše definovat aplikaci zkVM, kterou je třeba vykonat, a vstupní data, přičemž Bonsai provádí výpočty na pozadí a generuje odpovídající důkaz nulových znalostí. Tento proces nevyžaduje, aby vývojáři nasazovali dodatečné hardwarové zařízení. Zároveň Bonsai využívá rozsáhlé GPU clustery a podporuje paralelní zpracování více výpočetních úloh. Kromě toho Bonsai poskytuje jednoduché a uživatelsky přívětivé API a SDK rozhraní, které umožňuje vývojářům snadno integrovat do existujících systémů, čímž dále snižuje obtížnost vývoje.

Na základě této vzdálené služby pro důkazy RISC Zero uvedla open-source nástroj Bonsai Pay, který kombinuje OAuth2.0 autentizaci a technologii ZKP, což uživatelům umožňuje posílat nebo přijímat tokeny na ethereové síti pomocí Google účtu. Například, když chce Alice převést peníze Bobovi, může přes Bonsai Pay zadat Bobovu Google e-mailovou adresu a částku převodu. Bob se poté může přihlásit do Bonsai Pay, zadat svou e-mailovou adresu a dokončit autentizaci Google účtu. Bonsai Pay použije OAuth 2.0 k vygenerování autorizačního tokenu, který dokazuje, že Bob je skutečně vlastníkem této e-mailové adresy. Následně Bonsai Pay zavolá službu Bonsai, aby vygenerovala důkaz nulových znalostí, který dokazuje, že Bobův Google účet je spojen s jeho peněženkovou adresou. Po ověření důkazu chytrým kontraktem se prostředky odemknou a převedou na Bobovu peněženkovou adresu.

Během celého procesu Bonsai Pay ověřil pomocí technologie ZKP fakt, že „Bobův Google účet a peněženková adresa jsou spojeny“, aniž by odhalil jakékoli konkrétní informace o Google účtu.

Další důležitou aplikací Bonsai je Bonsai ZK ko-procesor (ZK Co-processor). Pomocí technologie důkazů nulových znalostí přesune složité výpočetní úkoly z řetězce do off-chain a generuje nezměnitelné důkazy, aby zajistila správnost výsledků. Zároveň je nasazení Bonsai ko-procesoru velmi jednoduché, vývojáři stačí napsat aplikaci zkVM pro zpracování logiky a prostřednictvím jednoduché Solidity smlouvy zavolat Bonsai, provést výpočet a ověřit výsledky. Během celého procesu služba Bonsai odpovídá za generování důkazů nulových znalostí pro off-chain výpočty, které mohou být ověřeny na řetězci.

Bonsai ZK ko-procesor je určen pro on-chain aplikace, které vyžadují vysoký výkon a nízké náklady. Například v DAO správě může přesunout složité výpočty hlasování do off-chain prostředí, což výrazně snižuje náklady na Gas na řetězci. Bonsai DAO Governor snížil náklady na Gas na každou hlasovací transakci o více než 50 %, což efektivně zvyšuje efektivitu správy a snižuje překážky účasti.

Boundless: Ověřitelná výpočetní vrstva

V tradiční architektuře blockchainu je pro zajištění platnosti transakcí nutné, aby všechny uzly opakovaně vykonávaly všechny výpočty každé transakce. Tento model „globálního opětovného vykonání“, i když zajišťuje bezpečnost a konzistenci, přináší také extrémně vysoké výpočetní náklady. Aby se tento problém vyřešil, RISC Zero zavedla Boundless, která umožňuje jednotlivým uzlům dokončit výpočet a generovat ověřitelný důkaz nulových znalostí, ostatní uzly pak musí pouze ověřit tento důkaz, aby potvrdily výsledek, aniž by musely opakovaně vykonávat výpočty.

Boundless zjednodušuje proces ověřování prostřednictvím techniky rekurzivního skládání. Kombinuje několik malých důkazů nulových znalostí do jednoho celkového důkazu, což znamená, že ověřovatelé musí zkontrolovat pouze jeden celkový důkaz, aniž by museli jednotlivě ověřovat všechny fáze důkazů. Aby byla dále optimalizována efektivita generování důkazů nulových znalostí, je Boundless vybaven specializovanými kryptografickými akcelerátory, které optimalizují efektivitu běžných úloh, jako je hashování a ověřování digitálních podpisů.

Kromě toho vývojáři používající Boundless nemusí mít hluboké znalosti o technologii nulových znalostí, stačí, když napíší aplikace ve známém programovacím jazyce (např. Rust nebo Solidity). V současnosti je Boundless otevřený pro bezplatný přístup vývojářům. Vývojáři nemusí migrovat existující systémy nebo aktualizovat ověřovací smlouvy, aby mohli využít služeb dokazování, které Boundless poskytuje, a rychle budovat a nasazovat aplikace nulových znalostí na jakémkoli blockchainu.

Blobstream Zero: zkVM meziblokový most, který zjednodušuje ověřování dat mezi blockchainy

Blobstream Zero je meziblokový most založený na zkVM, který RISC Zero vyvinula ve spolupráci s Celestia a jehož cílem je bezproblémové propojení vrstvy dostupnosti dat Celestia s existujícím modulárním blockchainovým ekosystémem. Sdílením a ověřováním dat na Celestii Blobstream Zero umožňuje snadnější přenos a ověřování dat mezi blockchainy.

Jako zcela open-source veřejný produkt umožňuje Blobstream Zero jakémukoli projektu nebo vývojáři spustit místní instanci a generovat důkazy nulových znalostí. Kromě toho Blobstream Zero také může poskytovat podporu pro ZK ko-procesory. ZK ko-procesory jsou v podstatě nástroje pro off-chain výpočty, a proto potřebují spolehlivá data pro provádění výpočtů. Blobstream Zero může získávat data z blockchainů, jako je Celestia, a může generovat ZK důkazy, aby prokázala spolehlivost přenášených dat.

Steel: Nový paradigmat vykonávání chytrých kontraktů off-chain a ověřování on-chain

Steel je open-source nástroj, který RISC Zero uvedl na trh a využívá technologii zkVM k dosažení ověřitelného vykonávání chytrých kontraktů off-chain. Prostřednictvím Steel mohou vývojáři přesunout operace EVM z řetězce do off-chain prostředí a zároveň generovat důkazy nulových znalostí, čímž se zajišťuje pravdivost a ověřitelnost výpočetních výsledků.

Tradiční chytré kontrakty musí vykonávat veškerou logiku na řetězci, což nejenže zvyšuje náklady na Gas, ale také omezuje vývoj složitých aplikací. Mechanismus off-chain výpočtu a on-chain ověřování Steel tento problém řeší. Například v jednoduchém chytrém kontraktu, který určuje, zda je zůstatek ERC20 daného účtu větší než 1, a zvyšuje proměnnou počítadla. Tradiční metoda vyžaduje kompletní vykonání logiky na řetězci, zatímco Steel dokončí výpočet off-chain a generuje důkaz nulových znalostí, přičemž na řetězci je třeba pouze ověřit důkaz, aniž by bylo nutné opakovaně vykonávat logiku kontraktu.

V současnosti RISC Zero vydala Steel 1.0 a již je partner, který úspěšně využil tento nástroj k vývoji aplikací. Například v jednom volání kontraktu zpracovávajícím přibližně 400 000 operací SLOAD byl výpočet přesunut do off-chain prostředí prostřednictvím Steel, poté byl na řetězci ověřen vygenerovaný důkaz nulových znalostí. Náklady na generování důkazu byly méně než 10 dolarů a náklady na ověření na řetězci byly pod 300 000 Gas.

Kailua: hybridní ZK řešení podporující inovace v architektuře Rollup

Po vydání Zeth RISC Zero uvedla Kailua, která nabízí hybridní ZK Rollup pro optimistické Rollup. Tradiční optimistické Rollup obvykle vyžaduje 7denní výzvu, což zpomaluje konečnost transakcí, zatímco ZK Rollup může rychle dosáhnout konečnosti, ale náklady na neustálé generování důkazů nulových znalostí jsou příliš vysoké. Kailua kombinuje výhody obou, a dosahuje rovnováhy mezi náklady a efektivitou prostřednictvím hybridní architektury. Jako rozšíření rámce Optimism Kona Kailua nejen podporuje nezměněný Kona běžící na zkVM, ale také zavádí inovativní mechanismus řešení sporů, snižuje požadavky na zajištění a zkracuje zpoždění konečnosti, což zvyšuje efektivitu a použitelnost systému.

V architektuře Kailua byl mechanismus řešení sporů navržen zcela novým způsobem. Zaprvé, mechanismus řešení sporů zrušil časová omezení, což umožňuje ověřovatelům mít dostatek času na generování důkazů, pokud nastanou zvláštní situace, jako je přerušení sítě, čímž se zvyšuje odolnost systému. I v extrémních případech může rozšířená architektura RISC Zero zkVM dokončit důkaz během jedné hodiny. Navíc funkce ověřování na vyžádání Kailua umožňuje vývojářům flexibilně konfigurovat frekvenci ověřování, což umožňuje postupné přechody na plné ověřování v režimu Rollup při nižších nákladech.

Na rozdíl od ZK Rollup, design Kailua nevyžaduje neustálé generování důkazů. Pro Rollup s nízkou frekvencí prázdných bloků nebo s mimořádnými požadavky na kontrakt nabízí Kailua nákladově efektivnější volbu. Současně Kailua také výrazně snižuje požadavek na zajištění Rollup. Požadavek na zajištění tradičních optimistických Rollup se s delšími obdobími konečnosti lineárně zvyšuje, zatímco optimalizovaný design Kailua stabilizuje požadavek na zajištění, což znamená, že systém může udržovat bezpečnost a aktivitu i při dlouhých obdobích, a to při nižších nákladech.

V současnosti je Kailua zcela open-source. Vývojáři mohou použít jeho příkazový řádek k nasazení místní testovací sítě Optimism a rychle ji upgradovat na síť podporující ZK porušení důkazů. Kailua také podporuje simulaci poruchových návrhů, což pomáhá vývojářům pochopit, jak ověřovatelé mohou pomocí zkVM zpochybnit chybné stavy a tím se hlouběji seznámit s mechanismem řešení sporů. V budoucnu Kailua dále optimalizuje náklady a výkon a rozšíří podporu pro více rámců Rollup.

Shrnutí

Jak bylo uvedeno výše, produktová matice zkVM RISC Zero podporuje rozvoj technologií nulových znalostí v různých oblastech. Zeth a Kailua se zaměřují na optimalizaci architektury Rollup, zvyšují efektivitu ověřování bloků a rychlost řešení sporů. Bonsai poskytuje služby vzdáleného dokazování, snižuje závislost na hardwaru a provozní náklady, což umožňuje vývojářům efektivněji vytvářet aplikace. Blobstream Zero pak poskytuje spolehlivou podporu pro modulární blockchainové ekosystémy prostřednictvím efektivního ověřování dat mezi blockchainy. Kromě toho Steel snižuje náklady na Gas pro vykonávání chytrých kontraktů prostřednictvím modelu off-chain výpočtu a on-chain ověřování.

Samozřejmě, že při neustálém vylepšování produktové matice zkVM, RISC Zero také pokračuje v podpoře inovací základní technologie zkVM. Nedávno RISC Zero zkVM uvedla verzi 1.2, která zavedla zcela nový způsob předkompilace, který umožňuje vývojářům nasadit logiku předkompilace spolu s aplikací, aniž by byla integrována přímo do zkVM. To znamená, že vývojáři mohou přidávat novou logiku předkompilace, aniž by museli upravovat ověřovací smlouvy na řetězci nebo koordinovat konfiguraci důkazců, a to aniž by došlo k forkům nebo významným změnám v zkVM, což umožňuje optimalizaci výkonu. Navíc definováním předkompilace podle aplikace lze také snížit náklady na generování důkazů. Například integrace RSA předkompilace do Automata zkrátila doby provádění z 39 milionů na 217 000, což snížilo náklady přibližně 180krát.

S neustálým vylepšováním technologie zkVM se její rozvojový potenciál postupně projeví v různých aplikačních scénářích, ale pro lepší uvolnění těchto potenciálů je stále potřeba spoléhání na ekologickou spolupráci a skutečný výkon technologií.