Автор: LINDABELL
На нещодавній конференції Devcon член основної команди Ethereum Foundation Джастін Дрейк представив пропозицію Beam Chain, яка має на меті оновлення рівня консенсусу Ethereum за допомогою технологій zkSNARK і zkVM, щоб підвищити масштабованість, безпеку та ефективність мережі. Це бачення також знову підкреслило важливість zkVM. Як універсальна віртуальна машина нульових знань, zkVM може обробляти складні обчислення більш гнучким і ефективним способом, позбавляючись залежності від традиційної логіки смарт-контрактів.
Під впливом цієї тенденції проекти, такі як RISC Zero, Succinct і Cysic, розглядаються як важливі учасники, які сприяють інноваціям у цій сфері. Зокрема, RISC Zero, спираючись на архітектуру RISC-V, розробив серію інструментів з відкритим кодом, таких як Zeth, Kailua та Bonsai, що не лише підвищило продуктивність верифікації блоків і Rollup, але й надало технологічну підтримку для оновлення Ethereum до ZK.
Екосистема продуктів RISC zkVM: від основних технологій до практичних застосувань
RISC Zero є реалізацією zkVM на базі архітектури набору інструкцій RISC-V, яка як універсальна платформа обчислень з нульовими знаннями підтримує кілька основних мов програмування, таких як Rust і C++, і майже може виконувати будь-які обчислювальні завдання. На відміну від інших платформ технологій нульових знань, верифікатори та доказувачі RISC Zero є повністю відкритими, що дозволяє розробникам локально генерувати та перевіряти докази. Крім того, верифікатори RISC Zero сумісні з багатьма платформами, що дозволяє адаптуватися до різних блокчейн-екосистем, спрощуючи процес розробки децентралізованих застосунків.
У червні цього року RISC Zero випустив zkVM 1.0. zkVM 1.0 не лише підтримує кілька мов і складні обчислювальні завдання, але й використовує технологію продовжень (Continuations), щоб розділити великі обчислення на кілька менших сегментів, досягаючи ефективних паралельних обчислень і верифікації. Згідно з дорожньою картою, RISC Zero планує досягти 20-кратного підвищення продуктивності та зниження витрат zkVM до кінця 2024 року, включаючи повне перенесення процесу доказування на GPU (завершено на 80%), впровадження нового дизайну RISC-V v2, а також спеціальну оптимізацію для рекурсивних схем. Також RISC Zero інтегрує ряд прискорювальних модулів для алгоритмів RSA, Keccak, ECDSA для підвищення продуктивності завдань, пов'язаних з Ethereum, та криптографічних операцій.
Оточуючи основні можливості zkVM, RISC Zero також розробив ряд інструментів та продуктів з відкритим вихідним кодом. Наприклад, через мережу Bonsai розробники можуть генерувати нульові знання без спеціального апаратного забезпечення; за допомогою інструменту Steel складні обчислення EVM можуть бути переміщені в офлайн-середовище, зберігаючи результати верифікованими, знижуючи витрати на виконання в онлайні; а Blobstream Zero через міст, що з'єднує рівень доступності даних Celestia, надає більше можливостей для обміну даними та верифікації в модульній блокчейн-екосистемі.
Zeth: доведення того, що весь блок Ethereum був правильно побудований
Zeth є відкритим засобом доказування блоків Ethereum на основі технології zkVM від RISC Zero, який може перевіряти дійсність блоків Ethereum за допомогою нульових знань, без залежності від традиційних верифікаторів чи синхронізаційних комітетів. RISC Zero визначає Zeth як Type-0 zkEVM, який повністю сумісний з протоколом Ethereum та підвищує ефективність розробки через повторне використання коду.
Співзасновник Ethereum Віталік Бутерін у статті «Різні типи zk-EVMs» поділив zkEVM на чотири категорії, з яких Type-1 прагне до повної та безкомпромісної еквівалентності з Ethereum; Type-2 намагається бути повністю еквівалентним EVM, але не повністю еквівалентним Ethereum; Type-3 майже дорівнює EVM; Type-4 зовсім не сумісний з Ethereum.
Завдяки високій продуктивності RISC Zero zkVM, Zeth може завершити верифікацію блоків Ethereum за кілька хвилин. Тестові дані показують, що Zeth може генерувати доказ блоків зі швидкістю 1.1 МГц і розширювати кластер GPU за допомогою функції 'продовження (continuations)', підвищуючи швидкість до 4.7 МГц до 6.3 МГц. Ця оптимізація продуктивності також знижує витрати на генерацію доказів. За тестами, доказ генерації блоку з 182 транзакціями коштує лише 21.72 долара, а вартість кожної транзакції становить приблизно 0.11 долара.
Також під час розробки Zeth команда RISC Zero повністю використала компоненти екосистеми Rust, такі як revm, ethers і alloy, що дозволяє розробникам швидко реалізувати функціональність доказування блоків і застосовувати її в різних сценаріях. Цей дизайн надає розробникам більше гнучкості, дозволяючи налаштовувати логіку побудови блоків відповідно до потреб та адаптувати до майбутніх покращень Ethereum.
На рівні застосунків Zeth надає ефективні рішення для zk Rollup, легких клієнтів та крос-ланцюгових мостів. Традиційна побудова zk Rollup та zkEVM вимагає значних витрат часу та коштів, що відлякує невеликі команди. А Zeth, базуючись на модульній архітектурі zkVM, дозволяє розробникам легко налаштовувати логіку верифікації блоків. Наприклад:
zk Rollup: Zeth може швидко реалізувати доказ блоків, що скорочує цикл розробки ZK Rollup та знижує фінансові витрати.
Легкий клієнт: верифікація дійсності блоків без необхідності повторно будувати їх, знижуючи витрати на експлуатацію.
Крос-ланцюговий міст: Zeth може перевіряти правильність крос-ланцюгових даних без витоку чутливої інформації на ланцюгу, зменшуючи залежність від третіх осіб і знижуючи ризик крос-ланцюгових атак.
У травні цього року Zeth успішно розширився для підтримки витягування даних блоків Optimism з основної мережі Ethereum та генерував ZKP для верифікації правильності блоків, також підтримуючи верифікацію в онлайні. Це означає, що з допомогою Zeth Optimism може більш ефективно верифікувати транзакції та вирішувати суперечки по транзакціях.
Bonsai: дозволяє розробникам генерувати докази без використання власного апаратного забезпечення
Bonsai - це віддалена служба доказування, спеціально розроблена для застосунків zkVM, дозволяючи розробникам генерувати докази без використання власного апаратного забезпечення, тим самим вирішуючи конфлікт між обмеженими ресурсами обчислень на ланцюзі та високими витратами. Завдяки Bonsai розробники лише повинні визначити zkVM застосунки та вхідні дані, Bonsai може виконати обчислення у фоновому режимі та згенерувати відповідні докази нульових знань. Цей процес повністю не вимагає від розробників розгортати додаткове апаратне обладнання. Крім того, Bonsai використовує велику кількість кластерів GPU, підтримуючи паралельну обробку кількох обчислювальних завдань. Крім того, Bonsai пропонує прості у використанні API та SDK інтерфейси, що дозволяє розробникам легко інтегрувати його в існуючі системи, ще більше зменшуючи складність розробки.
На основі цієї віддаленої служби доказування RISC Zero запустив відкритий інструмент Bonsai Pay, що поєднує аутентифікацію OAuth2.0 і технологію ZKP, що дозволяє користувачам надсилати або отримувати токени в мережі Ethereum через Google-акаунт. Наприклад, коли Аліса бажає перевести кошти Бобу, вона може ввести Google-пошту Боба та суму переказу через Bonsai Pay. Боб потім може увійти до Bonsai Pay, ввести свою пошту та завершити аутентифікацію Google-акаунту. Bonsai Pay використовує OAuth 2.0 для генерації авторизаційного токена, доводячи, що Боб дійсно є власником цього електронного адреси. Потім Bonsai Pay викликає службу доказування Bonsai, генеруючи доказ нульових знань, що підтверджує зв'язок Google-акаунту Боба з адресою гаманця. Після верифікації доказів смарт-контрактом, кошти розблоковуються та переводяться на адресу гаманця Боба.
Протягом усього процесу Bonsai Pay підтверджує факт «Google-акаунт Боба пов'язаний з адресою гаманця», уникаючи при цьому розкриття будь-якої конкретної інформації про Google-акаунт.
Ще одне важливе застосування Bonsai - це Bonsai ZK сопроцесор (ZK Co-processor). Він переносить складні обчислювальні завдання з ланцюга в офлайн за допомогою технології нульових знань, генеруючи незмінні докази для забезпечення коректності результатів. Крім того, розгортання Bonsai сопроцесора також є дуже простим, розробники лише повинні написати програму zkVM для обробки логіки і через простий контракт Solidity викликати Bonsai для виконання обчислень і верифікації результатів. У всьому процесі служба доказування Bonsai відповідає за генерацію доказів нульових знань для обчислень офлайн, які можуть бути перевірені на ланцюзі.
Bonsai ZK сопроцесор підходить для високопродуктивних та низьковитратних застосувань на ланцюзі. Наприклад, у DAO-управлінні він може перенести складні обчислення голосування в офлайн, значно знижуючи витрати газу на ланцюзі. Bonsai DAO Governor знижує витрати газу на кожен голос більш ніж на 50%, ефективно підвищуючи ефективність управління та знижуючи бар'єри для участі.
Boundless: рівень обчислень, що може бути перевірений
У традиційних блокчейн-архітектурах для забезпечення дійсності транзакцій усі вузли повинні повторно виконувати всі обчислення для кожної транзакції. Ця модель 'глобального повторного виконання', хоча і забезпечує безпеку та узгодженість, також приносить надзвичайно високі обчислювальні витрати. Щоб вирішити цю проблему, RISC Zero запустив Boundless, який дозволяє окремому вузлу завершити обчислення, а потім згенерувати перевіряємий доказ нульових знань, інші вузли лише повинні перевірити цей доказ для підтвердження результату, без повторного виконання обчислень.
Boundless спростив процес верифікації за допомогою техніки рекурсивної комбінації. Він об'єднує кілька малих доказів нульових знань в одне загальне доказ, дозволяючи верифікатору перевіряти лише одне загальне доказування, без необхідності перевіряти всі етапи окремо. Для подальшої оптимізації ефективності генерації доказів нульових знань, Boundless вбудував спеціалізовані криптографічні прискорювальні схеми, оптимізуючи ефективність таких звичних завдань, як обчислення хешів, верифікація цифрових підписів тощо.
Крім того, розробники, використовуючи Boundless, не потребують глибоких знань про технології нульових знань, а лише повинні писати програми на знайомих мовах програмування (таких як Rust або Solidity). Наразі Boundless надано розробникам для безкоштовного доступу. Розробники можуть швидко створювати та розгортати застосунки з нульовими знаннями на будь-якому блокчейні, не мігруючи існуючі системи чи оновлюючи контракти на верифікацію.
Blobstream Zero: міст для крос-ланцюгової верифікації даних zkVM
Blobstream Zero є крос-ланцюговим мостом на базі zkVM, запущеним RISC Zero та Celestia, що має на меті безперешкодно з'єднати рівень доступності даних Celestia з існуючою модульною блокчейн-екосистемою. Завдяки обміну та верифікації даних на Celestia, Blobstream Zero реалізує більш зручну передачу даних і верифікацію між ланцюгами.
Як повністю відкритий публічний продукт, Blobstream Zero дозволяє будь-якому проекту або розробнику запускати локальні екземпляри та генерувати докази нульових знань. Крім того, Blobstream Zero також може підтримувати ZK сопроцесори. ZK сопроцесор є за своєю суттю інструментом для офлайн-обчислень, тому для виконання обчислень потрібні надійні дані. Blobstream Zero може отримувати дані з блокчейнів, таких як Celestia, і може генерувати ZK докази, щоб підтвердити, що передані дані є надійними.
Steel: нова парадигма смарт-контрактів з офлайн-виконанням та онлайн-верифікацією
Steel - це відкритий інструмент, запущений RISC Zero, який використовує технологію zkVM для реалізації верифікованого виконання смарт-контрактів офлайн. Завдяки Steel розробники можуть переносити операції EVM з ланцюга в офлайн, одночасно генеруючи докази нульових знань, що забезпечують достовірність та верифікацію результатів обчислень.
Традиційні смарт-контракти потребують повного виконання всієї логіки на ланцюзі, що не лише є дорогим у плані витрат газу, але також обмежує розробку складних застосунків. А механізм офлайн-обчислень та онлайн-верифікації Steel вирішує цю проблему. Наприклад, у простому смарт-контракті, щоб перевірити, чи є баланс ERC20 певного облікового запису більшим за 1, та збільшити лічильник. Традиційний метод вимагав би повного виконання логіки на ланцюзі, тоді як Steel завершує обчислення офлайн і генерує доказ нульових знань, а на ланцюзі лише потрібно перевірити доказ, без повторного виконання логіки контракту.
Наразі RISC Zero випустив Steel 1.0, і вже є партнери, які успішно використовують цей інструмент для розробки застосунків. Наприклад, в контракті, що обробляє близько 400 тисяч операцій SLOAD, за допомогою Steel обчислення перенесено в офлайн, а потім верифікується згенерований доказ нульових знань. Витрати на генерацію доказів становлять менше 10 доларів, а витрати на верифікацію на ланцюзі нижчі за 300 тисяч газу.
Kailua: змішане ZK рішення, яке просуває інновації архітектури Rollup
Після випуску Zeth, RISC Zero запустив Kailua, щоб надати змішане рішення ZK Rollup для оптимістичного Rollup. Традиційні оптимістичні Rollup зазвичай вимагають 7 днів на період оскарження, що уповільнює фіналізацію транзакцій, тоді як ZK Rollup може швидко досягти фіналізації, але безперервна генерація доказів нульових знань є надто дорогою. Kailua об'єднує переваги обох, досягаючи балансу між витратами та ефективністю за допомогою змішаної архітектури. Як розширення фреймворка Optimism Kona, Kailua підтримує не змінений Kona на zkVM, а також вводить інноваційний механізм вирішення суперечок, знижуючи вимоги до застави та скорочуючи затримки фіналізації, що підвищує ефективність та доступність системи.
В архітектурі Kailua механізм спірних питань має абсолютно новий дизайн. По-перше, його механізм вирішення суперечок скасовує часові обмеження, дозволяючи верифікаторам мати достатньо часу для генерації доказів у випадку спеціальних ситуацій, таких як перерви в мережі, що підвищує еластичність системи. Навіть в екстремальних випадках, розширена архітектура RISC Zero zkVM може завершити доказ за одну годину. Крім того, функція верифікації на вимогу в Kailua дозволяє розробникам гнучко налаштовувати частоту верифікації, поступово переходячи до повної верифікації в режимі Rollup за нижчими витратами.
На відміну від ZK Rollup, проект Kailua не вимагає постійної генерації доказів. Для малочастотних пустих блоків або Rollup з особливими вимогами до контрактів, Kailua надає більш економічно ефективний варіант. Одночасно Kailua значно знижує вимоги до застави для Rollup. Кількість застави в традиційних оптимістичних Rollup зростає лінійно з тривалими періодами фіналізації, тоді як оптимізований дизайн Kailua фіксує вимоги до застави, що дозволяє системі підтримувати безпеку та активність навіть за довгих періодів за нижчими витратами.
На даний момент Kailua повністю відкритий. Розробники можуть використовувати його командний рядок для розгортання локальної тестової мережі Optimism та швидко оновитися до мережі, що підтримує ZK доказування помилок. Kailua також підтримує моделювання помилок, що допомагає розробникам зрозуміти, як верифікатори можуть кидати виклик помилковим станам через zkVM, глибше розуміючи механізм вирішення суперечок. У майбутньому Kailua також планує подальшу оптимізацію витрат та продуктивності, а також розширення підтримки для більшої кількості фреймворків Rollup.
Підсумок
З вищевказаного видно, що продуктова матриця zkVM від RISC Zero сприяє розвитку технології нульових знань у багатьох сферах. Zeth і Kailua зосереджені на оптимізації архітектури Rollup, підвищуючи ефективність верифікації блоків та швидкість вирішення суперечок. Bonsai надає послуги віддаленого доказування, знижуючи залежність від апаратного забезпечення та експлуатаційні витрати, що дозволяє розробникам ефективніше створювати застосунки. А Blobstream Zero через ефективну верифікацію крос-ланцюгових даних надає надійну підтримку модульній блокчейн-екосистемі. Крім того, Steel знижує витрати газу на виконання смарт-контрактів за рахунок моделі офлайн-обчислень та онлайн-верифікації.
Звичайно, у процесі постійного вдосконалення продуктової матриці zkVM, RISC Zero також продовжує просувати інновації в основних технологіях zkVM. Нещодавно RISC Zero zkVM випустив версію 1.2, яка впроваджує абсолютно новий спосіб попередньої компіляції, що дозволяє розробникам розгортати логіку попередньої компіляції разом із програмами, без необхідності вбудовувати їх у сам zkVM. Це означає, що розробники можуть додати нову логіку попередньої компіляції, не змінюючи контракти на верифікацію на ланцюзі або налаштовуючи конфігурацію доказувачів, а також без потреби у форкованні або серйозних змінах в zkVM для досягнення оптимізації продуктивності. Крім того, завдяки визначенню попередньої компіляції додатками, також можна зменшити витрати на обчислення генерації доказів. Наприклад, після інтеграції RSA попередньої компіляції, Automata зменшив цикл виконання з 39 мільйонів до 217 тисяч, знизивши витрати приблизно в 180 разів.
З розвитком технології zkVM її потенціал буде поступово виявлятися в різних сценаріях застосування, однак для того, щоб краще реалізувати цей потенціал, все ще потрібно покладатися на екосистемну співпрацю та фактичну реалізацію технологій.
