Autore: LINDABELL

Durante la recente conferenza Devcon, Justin Drake, un membro chiave della Ethereum Foundation, ha proposto il piano Beam Chain, progettato per aggiornare il livello di consenso di Ethereum attraverso le tecnologie zkSNARK e zkVM, migliorando la scalabilità, la sicurezza e l'efficienza della rete. Questa visione ha riportato l'attenzione sull'importanza dello zkVM. Come macchina virtuale a conoscenza zero generica, zkVM può gestire calcoli complessi in modo più flessibile ed efficiente, liberandosi dalla dipendenza dalla logica dei contratti intelligenti tradizionali.

Sotto l'impulso di questa tendenza, progetti come RISC Zero, Succinct e Cysic sono visti come attori chiave nell'innovazione in questo campo. RISC Zero, con il suo zkVM basato sull'architettura RISC-V, ha sviluppato un insieme di strumenti open source come Zeth, Kailua e Bonsai, migliorando non solo le prestazioni della verifica dei blocchi e dei Rollup, ma fornendo anche supporto tecnico per l'upgrade ZK di Ethereum.

Matrice dei prodotti ecologici RISC zkVM: dalla tecnologia di base alle applicazioni di scena

RISC Zero è un'implementazione zkVM basata sull'architettura RISC-V, come piattaforma di calcolo a conoscenza zero generica, supporta vari linguaggi di programmazione mainstream come Rust e C++, e può eseguire praticamente qualsiasi compito di calcolo. Rispetto ad altre piattaforme di tecnologia a conoscenza zero, i provatori e i verificatori di RISC Zero sono completamente open source, consentendo agli sviluppatori di generare e verificare prove localmente. Inoltre, i validatori di RISC Zero sono compatibili con diverse piattaforme, facilitando lo sviluppo di applicazioni decentralizzate.

Nel giugno di quest'anno, RISC Zero ha rilasciato zkVM 1.0. zkVM 1.0 supporta non solo vari linguaggi e compiti di calcolo complessi, ma utilizza anche la tecnologia delle continuazioni per suddividere calcoli su larga scala in segmenti più piccoli, consentendo calcoli e verifiche paralleli ed efficienti. Secondo la roadmap, RISC Zero prevede di ottenere un incremento delle prestazioni e una riduzione dei costi dello zkVM di 20 volte entro la fine del 2024, con ottimizzazioni che includono il trasferimento completo del processo di prova su GPU (già completato all'80%), l'introduzione di nuovi design circuitali RISC-V v2, e ottimizzazioni speciali per circuiti ricorsivi, tra le altre. Inoltre, RISC Zero sta integrando una serie di moduli di accelerazione per algoritmi come RSA, Keccak, ECDSA, per migliorare le prestazioni per compiti relativi a Ethereum e operazioni crittografiche.

Attorno alle capacità core dello zkVM, RISC Zero ha sviluppato una serie di strumenti e prodotti open source. Ad esempio, attraverso la rete Bonsai per i servizi di prova, gli sviluppatori possono generare prove a conoscenza zero senza hardware dedicato; con lo strumento Steel, possono trasferire calcoli EVM complessi in un ambiente off-chain, mantenendo i risultati verificabili e riducendo i costi di esecuzione on-chain; mentre Blobstream Zero, tramite il collegamento al livello di disponibilità dei dati di Celestia, offre ulteriori possibilità per la condivisione e la verifica dei dati nell'ecosistema blockchain modulare.

Zeth: prova che l'intero blocco di Ethereum è stato costruito correttamente

Zeth è un verificatore di blocchi a conoscenza zero open source sviluppato da RISC Zero basato sulla sua tecnologia zkVM, che può verificare la validità dei blocchi Ethereum senza fare affidamento su validatori tradizionali o comitati di sincronizzazione. RISC Zero definisce Zeth come zkEVM di Tipo-0, completamente compatibile con il protocollo Ethereum e migliorando l'efficienza di sviluppo attraverso il riutilizzo del codice.

Il cofondatore di Ethereum Vitalik Buterin ha suddiviso gli zkEVM in quattro categorie nell'articolo "Different types of zk-EVMs", in cui il Tipo-1 cerca di essere completamente equivalente ed infallibile rispetto a Ethereum; il Tipo-2 punta a essere completamente equivalente all'EVM, ma non del tutto equivalente a Ethereum; il Tipo-3 è quasi uguale all'EVM; il Tipo-4 è completamente incompatibile con Ethereum.

Grazie alle elevate prestazioni del RISC Zero zkVM, Zeth è in grado di completare la verifica dei blocchi Ethereum in pochi minuti. I dati dei test mostrano che Zeth può generare prove di blocco a una velocità di 1.1 MHz e, attraverso le caratteristiche di "continuazioni", estendere i cluster GPU, aumentando la velocità a tra 4.7 MHz e 6.3 MHz. Questa ottimizzazione delle prestazioni ha anche ridotto i costi di generazione della prova. Secondo i test, il costo di generazione della prova per un blocco contenente 182 transazioni è solo di 21.72 dollari, con un costo per transazione di circa 0.11 dollari.

Nel frattempo, durante il processo di sviluppo di Zeth, il team di RISC Zero ha sfruttato a fondo i componenti dell'ecosistema Rust, come revm, ethers e alloy, consentendo agli sviluppatori di implementare rapidamente la funzionalità di prova dei blocchi e applicarla a vari scenari. Questo design offre maggiore flessibilità agli sviluppatori, consentendo loro di regolare la logica di costruzione dei blocchi secondo necessità e adattarsi alle future proposte di miglioramento di Ethereum.

A livello applicativo, Zeth offre soluzioni efficienti per zk Rollup, client leggeri e ponti cross-chain. La costruzione di zk Rollup tradizionali e zkEVM richiede tempo e risorse significative, disincentivando le piccole squadre. Zeth, basato su un'architettura zkVM modulare, consente agli sviluppatori di personalizzare facilmente la logica di verifica dei blocchi. Ad esempio:

  • zk Rollup: Zeth può implementare rapidamente le prove di blocco, riducendo il ciclo di sviluppo dello ZK Rollup e i costi di investimento.

  • Client leggeri: verifica la validità dei blocchi senza ricostruirli, riducendo i costi operativi.

  • Ponte cross-chain: Zeth può verificare l'accuratezza dei dati cross-chain senza rivelare informazioni sensibili on-chain tramite ZKP, riducendo la dipendenza dalla fiducia nei terzi e abbattendo i rischi di attacchi cross-chain.

Nel maggio di quest'anno, Zeth ha ampliato con successo il supporto per estrarre i dati dei blocchi Optimism dalla rete principale di Ethereum e generare ZKP per verificare la correttezza dei blocchi, supportando anche la verifica on-chain. In altre parole, grazie a Zeth, Optimism può verificare le transazioni in modo più efficiente e risolvere le controversie sulle transazioni.

Bonsai: consente agli sviluppatori di generare prove senza utilizzare l'hardware

Bonsai è un servizio di prova remota progettato per applicazioni zkVM, permettendo agli sviluppatori di generare prove senza utilizzare il proprio hardware, risolvendo così la contraddizione tra risorse computazionali limitate e costi elevati on-chain. Attraverso Bonsai, gli sviluppatori devono solo definire l'applicazione zkVM da eseguire e i dati di input, mentre Bonsai esegue i calcoli in background e genera le relative prove a conoscenza zero. Questo processo non richiede affatto che gli sviluppatori distribuiscano dispositivi hardware aggiuntivi. Inoltre, Bonsai utilizza un gran numero di cluster GPU, supportando l'elaborazione parallela di più compiti di calcolo. Infine, Bonsai offre API e interfacce SDK semplici e facili da usare, consentendo agli sviluppatori di integrarlo facilmente nei sistemi esistenti, abbattendo ulteriormente la difficoltà di sviluppo.

Basandosi su questo servizio di prova remota, RISC Zero ha lanciato lo strumento open source Bonsai Pay, che combina l'autenticazione OAuth2.0 e la tecnologia ZKP, consentendo agli utenti di inviare o ricevere token sulla rete Ethereum tramite un account Google. Ad esempio, quando Alice vuole trasferire fondi a Bob, può inserire l'email Google di Bob e l'importo del trasferimento tramite Bonsai Pay. Bob può poi accedere a Bonsai Pay, inserire l'indirizzo email e completare l'autenticazione dell'account Google. Bonsai Pay genera un token di autorizzazione utilizzando OAuth 2.0, dimostrando che Bob è effettivamente il titolare di quell'email. Successivamente, Bonsai Pay chiama il servizio di prova Bonsai, generando una prova a conoscenza zero che dimostra che l'account Google di Bob è associato all'indirizzo del suo portafoglio. Dopo che il contratto intelligente verifica la prova, sblocca i fondi e li trasferisce all'indirizzo del portafoglio di Bob.

Durante l'intero processo, Bonsai Pay ha verificato tramite tecnologia ZKP il fatto che "l'account Google di Bob è associato all'indirizzo del portafoglio", evitando di rivelare qualsiasi informazione specifica sull'account Google.

Un'altra importante applicazione di Bonsai è il co-processore ZK di Bonsai (ZK Co-processor). Utilizza la tecnologia delle prove a conoscenza zero per trasferire compiti di calcolo complessi da on-chain a off-chain e genera prove inalterabili per garantire la correttezza dei risultati. Inoltre, il deployment del co-processore Bonsai è molto semplice: gli sviluppatori devono solo scrivere un'applicazione zkVM per gestire la logica e, tramite semplici contratti Solidity, invocare Bonsai, eseguire i calcoli e verificare i risultati. Durante l'intero processo, il servizio di prova Bonsai si occupa di generare prove a conoscenza zero per i calcoli off-chain, che possono essere verificate on-chain.

Il co-processore ZK di Bonsai è adatto per applicazioni on-chain che richiedono alte prestazioni e basso costo. Ad esempio, nella governance DAO, può trasferire calcoli di voto complessi a off-chain, riducendo significativamente i costi di gas on-chain. Il Bonsai DAO Governor ha ridotto i costi di gas per voto di oltre il 50%, migliorando efficacemente l'efficienza della governance e abbattendo le barriere all'ingresso.

Boundless: livello di calcolo verificabile

Nell'architettura blockchain tradizionale, per garantire la validità delle transazioni, tutti i nodi devono rieseguire tutti i calcoli di ogni transazione. Questo modello di "ri-esecuzione globale" garantisce la sicurezza e la coerenza, ma porta anche a costi computazionali molto elevati. Per risolvere questo problema, RISC Zero ha lanciato Boundless, consentendo a un singolo nodo di completare i calcoli e generare una prova a conoscenza zero verificabile, mentre gli altri nodi devono solo verificare quella prova per confermare il risultato, senza dover rieseguire i calcoli.

Boundless semplifica il processo di verifica attraverso la tecnologia di combinazione ricorsiva. Combina più piccole prove a conoscenza zero in un'unica prova complessiva, consentendo al verificatore di controllare solo una prova totale, senza dover verificare ogni prova di ogni fase. Per ottimizzare ulteriormente l'efficienza della generazione delle prove a conoscenza zero, Boundless ha integrato circuiti di accelerazione crittografica dedicati, ottimizzando l'efficienza di compiti comuni come il calcolo degli hash e la verifica delle firme digitali.

Inoltre, gli sviluppatori che utilizzano Boundless non devono avere una conoscenza approfondita della tecnologia a conoscenza zero; possono semplicemente scrivere applicazioni in linguaggi di programmazione familiari (come Rust o Solidity). Attualmente, Boundless è accessibile gratuitamente agli sviluppatori. Non è necessario migrare sistemi esistenti o aggiornare contratti di verifica per utilizzare il servizio di proving fornito da Boundless per costruire e distribuire rapidamente applicazioni a conoscenza zero su qualsiasi blockchain.

Blobstream Zero: il ponte cross-chain zkVM che semplifica la verifica dei dati cross-chain

Blobstream Zero è un ponte cross-chain basato su zkVM lanciato in collaborazione tra RISC Zero e Celestia, progettato per collegare senza soluzione di continuità il livello di disponibilità dei dati di Celestia all'ecosistema blockchain modulare esistente. Condividendo e verificando i dati su Celestia, Blobstream Zero realizza un trasferimento e una verifica dei dati più semplici tra le blockchain.

Come prodotto pubblico completamente open source, Blobstream Zero consente a qualsiasi progetto o sviluppatore di eseguire un'istanza locale e generare prove a conoscenza zero. Inoltre, Blobstream Zero è in grado di supportare i processori ZK. I processori ZK sono essenzialmente uno strumento di calcolo off-chain, quindi hanno bisogno di dati affidabili per eseguire i calcoli. Blobstream Zero può ottenere dati da blockchain come Celestia e può dimostrare che i dati trasmessi sono affidabili generando prove ZK.

Steel: una nuova frontiera per i contratti intelligenti con esecuzione off-chain e verifica on-chain

Steel è uno strumento open source lanciato da RISC Zero, che utilizza la tecnologia zkVM per eseguire contratti intelligenti verificabili off-chain. Con Steel, gli sviluppatori possono trasferire le operazioni EVM dall'esecuzione on-chain a quella off-chain, generando prove a conoscenza zero per garantire la veridicità e la verificabilità dei risultati.

I contratti intelligenti tradizionali richiedono l'esecuzione completa di tutta la logica on-chain, il che non solo comporta costi di gas elevati, ma limita anche lo sviluppo di applicazioni complesse. Il meccanismo di calcolo off-chain e verifica on-chain di Steel risolve questo problema. Ad esempio, in un semplice contratto intelligente, per determinare se il saldo ERC20 di un certo conto è maggiore di 1 e incrementare una variabile contatore, il metodo tradizionale richiederebbe l'esecuzione completa della logica on-chain, mentre Steel completa i calcoli off-chain e genera una prova a conoscenza zero, richiedendo solo la verifica della prova on-chain senza dover rieseguire la logica del contratto.

Attualmente, RISC Zero ha rilasciato Steel 1.0, e già alcuni partner hanno utilizzato questo strumento per sviluppare applicazioni. Ad esempio, in una chiamata di contratto che gestisce circa 400.000 operazioni SLOAD, Steel ha trasferito il calcolo all'esecuzione off-chain, quindi ha verificato la prova a conoscenza zero generata on-chain. Il costo di generazione della prova è stato di meno di 10 dollari, con un costo di verifica on-chain inferiore a 300.000 gas.

Kailua: una soluzione ibrida ZK che promuove l'innovazione dell'architettura Rollup

Dopo il rilascio di Zeth, RISC Zero ha lanciato Kailua, progettato per fornire una soluzione di aggiornamento ibrido ZK Rollup per i Rollup ottimisti. I tradizionali Rollup ottimisti richiedono tipicamente un periodo di sfida di 7 giorni, portando a una lenta finalità delle transazioni, mentre gli ZK Rollup, sebbene possano raggiungere rapidamente la finalità, hanno costi eccessivi per la generazione continua delle prove a conoscenza zero. Kailua combina i vantaggi di entrambi, raggiungendo un equilibrio tra costi ed efficienza attraverso un'architettura ibrida. Come estensione del framework Optimism Kona, Kailua supporta non solo Kona non modificato su zkVM, ma introduce anche un innovativo meccanismo di risoluzione delle controversie, riducendo i requisiti di staking e le tempistiche di finalità, migliorando così l'efficienza e l'usabilità del sistema.

Nell'architettura di Kailua, il meccanismo di controversia adotta un nuovo design. In primo luogo, il suo meccanismo di risoluzione delle controversie elimina i limiti di tempo, consentendo ai validatori di avere tempo sufficiente per generare prove in caso di interruzioni di rete o altre situazioni speciali, aumentando così l'elasticità del sistema. Anche in situazioni estreme, l'architettura scalabile dello zkVM di RISC Zero può completare la prova in un'ora. Inoltre, la funzionalità di verifica on-demand di Kailua consente agli sviluppatori di configurare dinamicamente la frequenza di verifica, permettendo una transizione graduale verso un modello di Rollup completamente verificato a costi inferiori.

A differenza dello ZK Rollup, il design di Kailua non richiede la generazione continua di prove. Per i Rollup con basse frequenze di blocchi vuoti o con requisiti contrattuali speciali, Kailua offre un'opzione più conveniente. Inoltre, Kailua ha notevolmente ridotto i requisiti di staking per i Rollup. I requisiti di staking dei tradizionali Rollup ottimisti aumentano linearmente con periodi di finalità più lunghi, mentre il design ottimizzato di Kailua fissa i requisiti di staking, consentendo al sistema di mantenere sicurezza e vitalità a un costo inferiore anche durante periodi prolungati.

Attualmente, Kailua è completamente open source. Gli sviluppatori possono utilizzare i suoi strumenti da riga di comando per distribuire una rete di test Optimism locale e aggiornare rapidamente per supportare una rete con prove di errore ZK. Kailua supporta anche la simulazione di proposte di errore, aiutando gli sviluppatori a comprendere come i validatori sfidano stati errati tramite zkVM, approfondendo così la comprensione del meccanismo di risoluzione delle controversie. In futuro, Kailua continuerà a ottimizzare costi e prestazioni e ad espandersi per supportare ulteriori framework Rollup.

Riepilogo

Da quanto sopra, è chiaro che la matrice di prodotti zkVM di RISC Zero sta promuovendo lo sviluppo della tecnologia di prova a conoscenza zero in vari settori. Zeth e Kailua si concentrano sull'ottimizzazione dell'architettura Rollup, migliorando l'efficienza della verifica dei blocchi e la velocità di risoluzione delle controversie. Bonsai offre servizi di prova remota, riducendo la dipendenza dall'hardware e i costi operativi, consentendo agli sviluppatori di costruire applicazioni in modo più efficiente. Blobstream Zero fornisce supporto affidabile per l'ecosistema blockchain modulare attraverso la verifica efficiente dei dati cross-chain. Inoltre, Steel riduce i costi di gas per l'esecuzione dei contratti intelligenti attraverso un modello di calcolo off-chain e verifica on-chain.

Naturalmente, mentre continua a perfezionare la matrice di prodotti zkVM, RISC Zero sta anche spingendo per innovazioni nelle tecnologie di base dello zkVM. Recentemente, RISC Zero zkVM ha rilasciato la versione 1.2, introducendo un nuovo metodo di precompilazione che consente agli sviluppatori di distribuire la logica di precompilazione insieme all'applicazione, senza doverla incorporare nello zkVM stesso. Questo significa che gli sviluppatori possono aggiungere nuova logica di precompilazione senza modificare i contratti di verifica on-chain o coordinare la configurazione dei provatori, e senza dover forkare o apportare modifiche significative allo zkVM per ottenere ottimizzazioni delle prestazioni. Inoltre, definendo le precompilazioni tramite applicazioni, è possibile ridurre i costi di calcolo per la generazione delle prove. Ad esempio, Automata ha ridotto il ciclo di esecuzione da 39 milioni a 217.000 dopo aver integrato la precompilazione RSA, abbattendo i costi di circa 180 volte.

Con l'ottimizzazione continua della tecnologia zkVM, il suo potenziale di sviluppo si manifesterà gradualmente in vari scenari applicativi, ma per liberare meglio questo potenziale, si deve fare affidamento sulla collaborazione ecologica e sulle prestazioni pratiche della tecnologia.