Verfasst von: ZAN
Beam Chain: „Ethereum 3.0“
Die gerade beendete 2024 Devcon-Konferenz war ein großer Erfolg, die Ethereum-Ökologie versammelte sich in Bangkok, und während dieser Zeit wurden bedeutende Fortschritte und Entwicklungen zu Ethereum und verwandten Ökosystemprojekten veröffentlicht, die eine Reihe neuer Perspektiven, Trends und Pläne entfachten, die die globale Web3-Community inspirieren.
Besonders beeindruckend ist der Vorschlag von Justin Drake, einem Forscher der Ethereum-Stiftung, der den Plan für „Ethereum 3.0“ veröffentlicht hat.
Er hat einen Vorschlag zur Aufrüstung der Konsensschicht vorgelegt, der von der Gemeinschaft als „Ethereum 3.0“ bezeichnet wird – Beam Chain [1]. Der Kernpunkt ist: Durch Zero-Knowledge-Beweise die Berechnungs- und Kommunikationslast der Validatoren zu reduzieren, die erforderlichen Anforderungen für Validatoren zu senken, sodass mehr Validatoren dem Netzwerk beitreten können, um die Sicherheit zu erhöhen, redundante Berechnungen zu reduzieren und die Gesamteffizienz des Netzwerks zu steigern. Darüber hinaus möchte Justin die Gelegenheit nutzen, die durch zeitliche Einschränkungen in der Beacon-Kette hinterlassenen technischen Schulden zu lösen und sich auf die zukünftigen Anforderungen an quantensichere Sicherheit vorzubereiten, indem er die Konsensschicht Snarkifiziert.
In Vitaliks The Verge-Roadmap ist die Snarkifizierung von Ethereum (SNARKification) bereits eine wichtige Aufgabe, die die Zero-Knowledge-Beweisumgestaltung der Konsens- und Ausführungsschicht beinhaltet. In Vitaliks neuster Interpretation [2] gab Vitalik zu, dass die Umgestaltung der Konsensschicht eine Herausforderung darstellt, die in der zukünftigen Arbeit kontinuierlich berücksichtigt und optimiert werden muss. Der Vorschlag von Beam Chain kann als Vitaliks Antwort darauf angesehen werden, wie die Konsensschicht Snarkifiziert werden kann.
Beam Chain konzentriert sich ausschließlich auf die Konsensschicht. Aber die Snarkifizierung der Konsensschicht bedeutet nicht, dass alle Teile umgebaut werden müssen. Der Kern der Blockchain ist die Zustandstransitionsfunktion (State Transition Function), sodass es ausreichend ist, die Zustandstransitionsfunktion zu Snarkifizieren, was genau das ist, worin ZK gut ist. Für die Konsensschicht umfasst die Zustandstransitionsfunktion hauptsächlich drei Teile: die per-slot Übergangsfunktion, die per-block Übergangsfunktion und die per-epoch Übergangsfunktion. In diesen drei Zustandstransitionsfunktionen sind die Ausführung des Konsensalgorithmus und der Staking-Logik, die Blockvorschläge, die Überprüfung der Richtigkeit der Ausführungsschicht-Ergebnisse, die Überprüfung der Merkle-Baum-Wurzel, die Überprüfung/Aggregation von Konsenssignaturen, die Berechnung der Hash-Funktion und die Staking- und Rücknahmeoperationen, die den Zugriff auf den Zustand der Kontospeicherung betreffen, enthalten. Die Snarkifizierung der Konsensschicht bedeutet tatsächlich, die oben genannten Operationen zu Snarkifizieren. Es ist erwähnenswert, dass Ethereum bei der Snarkifizierung der Konsensschicht weiterhin Dezentralisierung und Vielfalt als oberste Priorität hat und daher keine ZK-Algorithmen und -Protokolle zwingend vorschreibt, sondern den Proposer selbst wählen lässt.
Bildquelle: https://www.youtube.com/watch?v=rGE_RDumZGg&t=8257s
Kernherausforderung: Realtime Proving
Um die Vision von Beam Chain zu verwirklichen, besteht die größte Herausforderung darin, die Effizienz der Beweise zu steigern, also wie man die derzeitigen Beweiszeiten von mehreren Dutzend bis hin zu über hundert Sekunden auf Sekundenebene komprimiert. Bei dem am 24. September dieses Jahres von AntChain OpenLabs, ZAN und Pharos gemeinsam veranstalteten ZK Workshop II [3] teilte der Gast Justin einen Bericht mit dem Titel „Realtime Proving“. Dabei stellte er den Kernpunkt vor, dass die Lösung von Leistungsengpässen im Einklang mit der Vision von „Ethereum 3.0“ steht. Er ermutigte die Gemeinschaft, ASIC-beschleunigte Methoden zu nutzen, um den gesamten Prozess von der Beweiserstellung bis zum Beweis in der Zero-Knowledge-Beweis-Virtual Machine auf einem Chip abzuschließen, um die Beweiszeit innerhalb der nächsten Jahre um das Zehnfache zu erhöhen und tatsächlich Realtime Proving zu erreichen.
Zur Unterstützung der Leistung und Anwendung von Zero-Knowledge-Beweistechnologie: Wir sind auf dem Weg.
AntChain OpenLabs hat sich kontinuierlich bemüht, die ZK-Beweise durch Hardwareplattformen wie GPU, FPGA und ASIC zu beschleunigen und eine Vielzahl von ZK-Systemen zu beschleunigen, einschließlich Polygon ZKEVM Prover, Stone Prover, Halo2 und Plonky2, und hat mehrere FPGA-IP- und GPU-beschleunigte Lösungen entwickelt, bei denen einige Kernoperatoren über hundertfache Beschleunigungsraten erreichen.
Die von AntChain OpenLabs basierend auf CUDA beschleunigten relativen Geschwindigkeitsverhältnisse bestimmter Operatoren im Vergleich zur CPU, siehe Tabelle (I).
( Tabelle I )
Die von AntChain OpenLabs implementierte GPU-beschleunigte MSM im Vergleich zur Leistung des Open-Source ICICLE (beide mit 4090GPU), siehe Tabelle (II).
( Tabelle II )
Die von AntChain OpenLabs implementierte GPU-beschleunigte Circle FFT im Vergleich zur Leistung des Open-Source Stwo Prover auf einem 16-Kern-CPU-System, siehe Tabelle (III).
( Tabelle III )
Darüber hinaus engagiert sich AntChain OpenLabs in der Anwendungserforschung von Zero-Knowledge-Beweisen, indem es im Bereich AI+ZK große Modelle mit verifizierbaren Berechnungen untersucht und Technologien wie das selbstdesignte Matrixmultiplikations-Folding, die GPU+CPU-Kooperation bei der Optimierung des Sumcheck-Protokolls und die effiziente Implementierung elliptischer Kurven einsetzt, um die erste Token-Generierungszeit von zkLLM [4][5] (die ursprüngliche Implementierung ohne Verpflichtung und Öffnung, die Leistung wurde nach der Einführung von Verpflichtung und Öffnung getestet, gezielt auf das LLama-7B-Modell) von 4 Stunden auf etwa 18 Minuten zu reduzieren.
AntChain OpenLabs optimiert kontinuierlich die Leistung und Benutzerfreundlichkeit von großen Modellen für verifizierbare Berechnungen basierend auf GPU und konzentriert sich weiterhin auf die Ersetzung und Optimierung von Verpflichtungslösungen, Multi-Instanz Folding und die Generierung mehrerer Token-Beweise, mit dem Ziel, einen effizienten, benutzerfreundlichen und AI-ökosystemfreundlichen verifizierbaren Berechnungsdienst zu schaffen, um mögliche Richtungen für die großflächige Anwendung der Zero-Knowledge-Beweistechnologie zu erkunden und eine Brücke zwischen der Verbindung von Web3 und AI-Anwendungen zu bauen.
Gleichzeitig hat AntChain OpenLabs aktiv nach Lösungen angesichts der Bedrohung durch Quantencomputer gesucht und eine post-quantum Version der Kryptobibliothek basierend auf OpenSSL [6] entwickelt, die mehrere NIST-Standard-Post-Quantum-Algorithmen unterstützt. Gleichzeitig hat AntChain OpenLabs durch Konsensprozesse und Optimierungen der speicherseitigen Latenz das Problem der über 40-fachen Speicherausdehnung von post-quantum Signaturen im Vergleich zu ECDSA angegangen, sodass die TPS der quantensicheren Blockchain etwa 50 % der ursprünglichen Kette erreichen kann.
Es ist erwähnenswert, dass die oben genannten technischen Erkundungen bereits in der von ZAN herausgegebenen Soft- und Hardware-basierten Beschleunigungslösung – Power Zebra – angewendet wurden, die auf die Beschleunigung und Optimierung häufig verwendeter Operatoren in Zero-Knowledge-Beweisen abzielt, einschließlich Multi-Scalar-Point-Produkt MSM, Number-Theoretic Transform NTT, H-Polynomial-Lösung, Polynomial-Proof-Öffnung und mehrere Schlüsselkomponenten, die die Rechenressourcen, den Speicherbandbreite und die PCIe-Bandbreite von GPUs optimal nutzen, um die Rechenleistung erheblich zu steigern. Zuvor hatte die zkWASM Open Source-Community Delphinus Lab die Leistung der GPU-Berechnungen um über 20 % gesteigert, nachdem sie das von ZAN entwickelte Soft- und Hardware-basiertes Beschleunigungssystem Power Zebra eingeführt hatte, und damit einen Rekord für die höchste Leistung in ähnlichen Dienstleistungen innerhalb der Gemeinschaft aufgestellt.
Voraussicht
Seit langem konzentriert sich die Ethereum-Community hauptsächlich auf die Optimierung der Ausführungsschicht, einschließlich der Erhöhung des BlockGasLimits, L2s und weiterer Strategien. Dabei wurde die Snarkifizierung der Ausführungsschicht bereits größtenteils im Rahmen der „Rollup Centric“-Roadmap mit Hilfe von L2 erfolgreich umgesetzt. Die Idee von Beam Chain öffnet jedoch die Tür zur Snarkifizierung der Konsensschicht. Es wird erwartet, dass die Einführung von Beam Chain die Gemeinschaft dazu anregt, sich auf die Umgestaltung der Konsensschicht zu konzentrieren und aufregendere Ideen hervorzubringen.
Es ist zu erwarten, dass die Snarkifizierung der Konsens- und Ausführungsschicht gemeinsam das letzte Puzzlestück der Ethereum-Snarkifizierung vervollständigen wird, was einen großen Beitrag zur Skalierbarkeit und Dezentralisierung von Ethereum leisten wird. Gleichzeitig wird die virtuelle Maschine, die auf der Technologie der Zero-Knowledge-Beweise basiert, mit dem Fortschritt des Beam Chain-Vorschlags eine zentrale Rolle im Ethereum-Ökosystem spielen. Durch die Einführung von SNARK-Beweisen und post-quantum-Kryptographie, kombiniert mit niedrigeren Staking-Schwellen und schnelleren Blockbestätigungszeiten, wird Beam Chain Ethereum eine stärkere Dezentralisierung und höhere Leistung bringen.
Literaturverzeichnis
[1] https://www.youtube.com/watch?v=rGE_RDumZGg
[2] https://vitalik.eth.limo/general/2024/10/23/futures4.html
[3] https://x.com/zan_team/status/1844947080642539752
[4] https://github.com/jvhs0706/zkllm-ccs2024
[5] https://arxiv.org/abs/2404.16109
[6] https://www.openssl.org/
