Auf der kürzlich stattgefundenen Devcon-Konferenz stellte Justin Drake, ein Kernmitglied der Ethereum-Stiftung, den Beam Chain-Vorschlag vor, der darauf abzielt, die Konsensschicht von Ethereum durch zkSNARK- und zkVM-Technologien zu aktualisieren, um die Skalierbarkeit, Sicherheit und Effizienz des Netzwerks zu verbessern. Diese Vision hat erneut die Aufmerksamkeit auf die Bedeutung von zkVM gelenkt. Als allgemeiner Nullwissens-Virtual-Machine kann zkVM komplexe Berechnungen auf flexible und effiziente Weise verarbeiten, während die Abhängigkeit von herkömmlicher Smart-Vertragslogik beseitigt wird.

Getrieben von diesem Trend gelten Projekte wie RISC Zero, Succinct und Cysic als Schlüsselspieler bei der Förderung von Innovationen auf diesem Gebiet. Unter ihnen hat RISC Zero mit seinem zkVM auf der RISC-V-Architektur basierend eine Reihe von Open-Source-Tools entwickelt, darunter Zeth, Kailua und Bonsai. Diese Tools verbessern nicht nur die Blockchain-Validierung und die Rollup-Performance, sondern bieten auch technische Unterstützung für das ZK-Upgrade von Ethereum.

RISC zkVM Ökosystem Produktmatrix: Von Kerntechnologie bis hin zu Szenarioanwendungen

RISC Zero ist eine zkVM-Implementierung, die auf der RISC-V-Befehlssatzarchitektur basiert. Als allgemeine Zero-Knowledge-Computing-Plattform unterstützt sie mehrere gängige Programmiersprachen wie Rust und C++ und kann nahezu jede Rechenaufgabe ausführen. Im Vergleich zu anderen Zero-Knowledge-Technologieplattformen sind die Proof-Ersteller und Verifizierer von RISC Zero vollständig Open-Source, sodass Entwickler lokal Proofs generieren und überprüfen können. Darüber hinaus ist der Verifizierer von RISC Zero mit mehreren Plattformen kompatibel, was die Anpassung an verschiedene Blockchain-Ökosysteme ermöglicht und den Entwicklungsprozess für dezentrale Anwendungen vereinfacht.

Im Juni dieses Jahres veröffentlichte RISC Zero zkVM 1.0. Diese Version unterstützt nicht nur mehrere Sprachen und komplexe Rechenaufgaben, sondern verwendet auch die Technologie der Fortsetzungen, um groß angelegte Berechnungen in kleinere Segmente aufzuteilen, was eine effiziente parallele Berechnung und Überprüfung ermöglicht. Laut Roadmap plant RISC Zero, bis Ende 2024 eine 20-fache Verbesserung der Leistung und der Kosten von zkVM zu erreichen. Optimierungen umfassen die Migration des Nachweisesprozesses vollständig auf GPUs (80% abgeschlossen), die Einführung neuer RISC-V v2-Schaltungsdesigns und gezielte Optimierungen für rekursive Schaltungen. Gleichzeitig integriert RISC Zero eine Reihe von Beschleunigungsmodulen für Algorithmen wie RSA, Keccak und ECDSA, um die Leistung von Ethereum-bezogenen Aufgaben und kryptografischen Operationen zu verbessern.

RISC Zero hat neben den Kernfähigkeiten von zkVM auch eine Reihe von Open-Source-Tools und -Produkten entwickelt. Mit dem Bonsai-Netzwerk können Entwickler beispielsweise Nullwissenbeweise ohne dedizierte Hardware generieren. Das Steel-Tool ermöglicht die Verlagerung komplexer EVM-Berechnungen in Off-Chain-Umgebungen und gleichzeitig die Aufrechterhaltung verifizierbarer Ergebnisse, wodurch die Kosten für die On-Chain-Ausführung reduziert werden. Blobstream Zero verbindet die Celestia-Datenverfügbarkeitsschicht und bietet mehr Möglichkeiten für Datenaustausch und Validierung innerhalb des modularen Blockchain-Ökosystems.

Zeth: Beweis der korrekten Konstruktion von gesamten Ethereum-Blöcken

Zeth, ein Open-Source Ethereum Zero-Knowledge Block-Prover, der von RISC Zero auf Basis seiner zkVM-Technologie entwickelt wurde, kann die Gültigkeit von Ethereum-Blöcken durch Zero-Knowledge-Beweise validieren, ohne auf traditionelle Validatoren oder Synchronisationsausschüsse angewiesen zu sein. RISC Zero definiert Zeth als Typ-0 zkEVM, der vollständig mit dem Ethereum-Protokoll kompatibel ist und die Entwicklungseffizienz durch Code-Wiederverwendung verbessert.

In seinem Artikel „Verschiedene Arten von zk-EVMs„Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin kategorisierte zkEVMs in vier Typen: Typ 1 zielt auf vollständige und kompromisslose Äquivalenz mit Ethereum ab; Typ 2 strebt volle Äquivalenz mit der EVM, aber nicht mit Ethereum als Ganzes an; Typ 3 ist fast äquivalent zur EVM; und Typ 4 ist vollständig inkompatibel mit Ethereum.

Dank der hohen Leistung von RISC Zero's zkVM kann Zeth die Ethereum-Blocküberprüfung in nur wenigen Minuten abschließen. Testdaten zeigen, dass Zeth Blockbeweise mit einer Geschwindigkeit von 1,1 MHz generieren kann und durch Nutzung der Funktion 'Fortsetzungen', um GPU-Cluster zu erweitern, kann die Geschwindigkeit auf zwischen 4,7 MHz und 6,3 MHz gesteigert werden. Diese Leistungsoptimierung verringert auch die Kosten für die Generierung von Beweisen. Laut Tests beträgt der Kosten für die Generierung eines Beweises für einen Block mit 182 Transaktionen nur 21,72 US-Dollar, wobei die Kosten pro Transaktion bei etwa 0,11 US-Dollar liegen.

Bei der Entwicklung von Zeth nutzte das RISC Zero-Team vollständig Komponenten aus dem Rust-Ökosystem wie revm, ethers und alloy, was es Entwicklern ermöglicht, die Blocknachweisfunktion schnell zu implementieren und in verschiedenen Szenarien anzuwenden. Dieses Design bietet Entwicklern mehr Flexibilität, sodass sie die Logik des Blockaufbaus anpassen und sich an zukünftige Ethereum-Verbesserungsvorschläge anpassen können.

Auf der Anwendungsebene bietet Zeth effiziente Lösungen für zk Rollups, leichte Clients und Cross-Chain-Brücken. Traditionelle zk Rollups und zkEVM-Konstruktion erfordern erhebliche Zeit und Finanzierung, was kleine Teams abschrecken kann. Zeth ermöglicht es jedoch aufgrund seiner modularen zkVM-Architektur Entwicklern, die Blockverifikationslogik leicht anzupassen. Zum Beispiel:

• zk Rollup: Zeth ermöglicht schnelle Blockbeweisgenerierung, verkürzt Entwicklungszyklen und reduziert Finanzierungsanforderungen für zk Rollups.
• Leichte Clients: Zeth ermöglicht die Überprüfung der Blockgültigkeit, ohne den Block neu aufzubauen und somit die Betriebskosten zu senken.
• Cross-Chain Bridges: Zeth verwendet ZKP, um die Korrektheit von Cross-Chain-Daten zu überprüfen, ohne sensible On-Chain-Informationen preiszugeben, wodurch die Abhängigkeit von Drittanbieter-Vertrauen verringert und das Risiko von Cross-Chain-Angriffen minimiert wird.

Im Mai dieses Jahres hat Zeth erfolgreich erweitertUnterstützung beim Extrahieren von Optimismus-Blockdaten aus dem Ethereum-Mainnet und Generieren von ZKPs zur Überprüfung der Blockkorrektheit, ebenfalls Unterstützung bei der On-Chain-Verifizierung. Das bedeutet, dass Optimismus mit Zeth Transaktionen effizienter überprüfen und Transaktionsstreitigkeiten lösen kann.

Bonsai: Entwicklern ermöglichen, Beweise ohne Verwendung ihrer eigenen Hardware zu generieren

Bonsai ist ein Remote-Proof-Service, der speziell für zkVM-Anwendungen entwickelt wurde und es Entwicklern ermöglicht, Proofs zu generieren, ohne ihre eigenen Hardware-Ressourcen zu nutzen. Dies löst das Dilemma begrenzter On-Chain-Rechenressourcen und hoher Kosten. Mit Bonsai müssen Entwickler nur die zkVM-Anwendung und die auszuführenden Eingabedaten definieren, und Bonsai übernimmt die Berechnung im Hintergrund und generiert die entsprechenden Zero-Knowledge-Proofs. Dieser Prozess erfordert keine zusätzliche Hardwarebereitstellung von den Entwicklern. Darüber hinaus nutzt Bonsai einen großen GPU-Cluster, um die parallele Verarbeitung mehrerer Berechnungsaufgaben zu unterstützen. Darüber hinaus bietet Bonsai einfach zu verwendende APIs und SDK-Schnittstellen, die es Entwicklern ermöglichen, es problemlos in bestehende Systeme zu integrieren und die Entwicklungskomplexität weiter zu reduzieren.

Basierend auf diesem Remote-Proof-Service hat RISC Zero das Open-Source-Tool Bonsai Pay gestartet, das OAuth2.0-Authentifizierung und ZKP-Technologie kombiniert und es Benutzern ermöglicht, über ihre Google-Konten Token im Ethereum-Netzwerk zu senden oder zu empfangen. Wenn zum Beispiel Alice Geld an Bob überweisen möchte, kann sie über Bonsai Pay Bob's Google-E-Mail und den Überweisungsbetrag eingeben. Bob meldet sich dann bei Bonsai Pay an und gibt seine E-Mail-Adresse ein, um die Google-Konten-Authentifizierung abzuschließen. Bonsai Pay verwendet OAuth 2.0, um ein Autorisierungs-Token zu generieren, das beweist, dass Bob tatsächlich der Besitzer dieser E-Mail-Adresse ist. Bonsai Pay ruft dann den Bonsai-Proof-Service auf, um einen Zero-Knowledge-Beweis zu generieren, der zeigt, dass Bob's Google-Konto mit seiner Wallet-Adresse verknüpft ist. Nachdem der Smart Contract den Beweis überprüft hat, entsperrt er die Gelder und transferiert sie an Bob's Wallet-Adresse.

Im Laufe dieses Prozesses verwendet Bonsai Pay ZKP-Technologie, um die Tatsache zu überprüfen, dass „Bobs Google-Konto mit seiner Wallet-Adresse verknüpft ist“, und dabei das Auslaufen spezifischer Informationen des Google-Kontos zu vermeiden.

Eine weitere wichtige Anwendung von Bonsai ist der Bonsai ZK-Co-Prozessor (ZK Co-Prozessor). Er verwendet die Zero-Knowledge-Beweistechnologie, um komplexe Rechenaufgaben von der Kette auf die Off-Chain zu übertragen und fälschungssichere Beweise zu generieren, um die Korrektheit der Ergebnisse zu gewährleisten. Gleichzeitig ist die Bereitstellung des Bonsai Co-Prozessors auch sehr einfach. Entwickler müssen nur eine zkVM-Anwendung schreiben, um die Logik zu verarbeiten, und über einen einfachen Solidity-Vertrag Bonsai aufrufen, um die Berechnung durchzuführen und die Ergebnisse zu überprüfen. Während des gesamten Prozesses ist der Bonsai Proof Service dafür verantwortlich, Off-Chain Zero-Knowledge-Beweise zu generieren, die On-Chain überprüft werden können.

Der Bonsai ZK-Co-Prozessor eignet sich für On-Chain-Anwendungen, die eine hohe Leistung und niedrige Kosten erfordern. Zum Beispiel kann er bei der DAO-Governance komplexe Abstimmungsberechnungen off-chain verlagern und so die on-chain Gas-Gebühren erheblich reduzieren. Durch den Co-Prozessor reduziert der Bonsai DAO Governor die Gas-Kosten pro Abstimmung um über 50% und verbessert effektiv die Effizienz der Governance und senkt die Beteiligungsschwelle.

Boundless: Überprüfbare Berechnungsschicht

In traditionellen Blockchain-Architekturen muss jeder Knoten redundante alle Berechnungen für jede Transaktion ausführen, um die Gültigkeit der Transaktionen sicherzustellen. Während dieses Modell der globalen Neu-Ausführung Sicherheit und Konsistenz gewährleistet, führt es auch zu extrem hohen Rechenkosten. Um dieses Problem zu lösen, führte RISC Zero Boundless ein, das einem einzigen Knoten erlaubt, die Berechnung abzuschließen und einen überprüfbaren Zero-Knowledge-Beweis zu generieren. Andere Knoten müssen nur den Beweis überprüfen, um das Ergebnis zu bestätigen, was die Notwendigkeit der erneuten Ausführung der Berechnung beseitigt.

Boundless vereinfacht den Überprüfungsprozess durch die Technologie der rekursiven Komposition. Es kombiniert mehrere kleine Zero-Knowledge-Proofs zu einem einzigen Gesamtproof, sodass Verifizierer nur einen Gesamtproof überprüfen müssen, anstatt jeden Proof aus den einzelnen Stufen einzeln zu überprüfen. Um die Effizienz der Generierung von Zero-Knowledge-Proofs weiter zu optimieren, enthält Boundless spezialisierte kryptografische Beschleunigungsschaltungen, die die Effizienz von häufigen Aufgaben wie der Hash-Berechnung und der digitalen Signaturüberprüfung verbessern.

Darüber hinaus müssen Entwickler, die Boundless verwenden, keine tiefe Kenntnis der Zero-Knowledge-Technologie haben. Sie können einfach Anwendungen mit vertrauten Programmiersprachen wie Rust oder Solidity schreiben. Derzeit ist Boundless für Entwickler kostenlos zugänglich, sodass sie schnell Zero-Knowledge-Anwendungen auf jeder Blockchain entwickeln und bereitstellen können, ohne bestehende Systeme zu migrieren oder Verifikationsverträge zu aktualisieren.

Blobstream Zero: zkVM-basierte Cross-Chain Bridge zur vereinfachten Validierung von Cross-Chain-Daten

Blobstream Zero ist eine zkVM-basierte Cross-Chain-Bridge, die von RISC Zero in Zusammenarbeit mit Celestia ins Leben gerufen wurde und entwickelt wurde, um die Datenverfügbarkeitsschicht von Celestia nahtlos mit dem bestehenden modularen Blockchain-Ökosystem zu verbinden. Durch das Teilen und Validieren von Daten auf Celestia ermöglicht Blobstream Zero eine bequemere Datenübertragung und Validierung zwischen Blockchains.

Als vollständig quelloffenes öffentliches Produkt ermöglicht Blobstream Zero jedem Projekt oder Entwickler das Ausführen einer lokalen Instanz und das Generieren von Zero-Knowledge-Beweisen. Darüber hinaus unterstützt Blobstream Zero ZK-Koprozessoren. Ein ZK-Koprozessor ist im Wesentlichen ein Off-Chain-Berechnungstool, das zuverlässige Daten zur Durchführung von Berechnungen erfordert. Blobstream Zero kann Daten aus Blockchains wie Celestia abrufen und durch Generieren von ZK-Beweisen die Zuverlässigkeit der übertragenen Daten überprüfen.

Stahl: Ein neues Paradigma für die Off-Chain-Ausführung und On-Chain-Verifizierung von Smart Contracts

Steel ist ein Open-Source-Tool, das von RISC Zero entwickelt wurde und die zkVM-Technologie verwendet, um die außerhalb der Chain überprüfbare Ausführung von Smart Contracts zu ermöglichen. Mit Steel können Entwickler EVM-Operationen von der Chain auf die außerhalb der Chain erfolgende Ausführung verlagern und dabei Nullwissen-Beweise generieren, um die Authentizität und Überprüfbarkeit der Berechnungsergebnisse sicherzustellen.

Traditionelle Smart Contracts erfordern, dass die gesamte Logik on-chain ausgeführt wird, was zu hohen Gas-Kosten führt und die Entwicklung komplexer Anwendungen einschränkt. Steel's Off-Chain-Berechnung und On-Chain-Verifikationsmechanismus lösen dieses Problem. Zum Beispiel erfordern traditionelle Methoden bei einem einfachen Smart Contract, der überprüft, ob das ERC20-Guthaben eines Kontos größer als 1 ist und eine Zählervariable erhöht, dass die Logik vollständig on-chain ausgeführt wird. Mit Steel hingegen erfolgt die Berechnung off-chain, und ein Zero-Knowledge-Proof wird generiert. Der On-Chain-Prozess erfordert nur die Verifikation des Nachweises, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Vertragslogik erneut auszuführen.

Derzeit hat RISC Zero Steel 1.0 veröffentlicht, und mehrere Partner haben das Tool bereits zur Entwicklung von Anwendungen verwendet. Zum Beispiel hat Steel bei der Verarbeitung eines Vertragsaufrufs mit etwa 400.000 SLOAD-Operationen die Berechnung an die Off-Chain-Ausführung ausgelagert und dann den generierten Zero-Knowledge-Beweis On-Chain verifiziert. Die Kosten für die Beweisgenerierung betrugen weniger als 10 $ und die Kosten für die On-Chain-Verifizierung waren weniger als 300.000 Gas.

Kailua: Eine hybride ZK-Lösung, die die Innovation der Rollup-Architektur vorantreibt

Nach der Veröffentlichung von Zeth führte RISC Zero Kailua ein, eine Upgrade-Lösung für optimistische Rollups durch einen hybriden ZK-Rollup-Ansatz. Herkömmliche optimistische Rollups erfordern in der Regel einen 7-tägigen Anfechtungszeitraum, was zu einer langsameren Transaktionsfinalität führt. Während ZK Rollups eine schnellere Finalität erreichen, verursacht die kontinuierliche Generierung von Zero-Knowledge-Proofs hohe Kosten. Kailua kombiniert die Vorteile beider Ansätze und bringt Kosten und Effizienz durch eine hybride Architektur in Einklang. Als Erweiterung des Optimism Kona-Frameworks unterstützt Kailua das unmodifizierte Kona, das auf zkVM läuft, und führt einen innovativen Streitbeilegungsmechanismus ein, der die Staking-Anforderungen reduziert und Finalitätsverzögerungen minimiert, wodurch die Systemeffizienz und Benutzerfreundlichkeit verbessert wird.

In der Architektur von Kailua verwendet der Streitbeilegungsmechanismus ein neues Design. Zunächst entfernt der Mechanismus zeitliche Einschränkungen und ermöglicht Validatoren ausreichend Zeit, um Nachweise bei Netzwerkstörungen oder anderen besonderen Umständen zu generieren, und verbessert die Widerstandsfähigkeit des Systems. Selbst in extremen Fällen kann die skalierbare Architektur von RISC Zero zkVM innerhalb einer Stunde Nachweise generieren. Darüber hinaus ermöglicht das On-Demand-Validierungsmerkmal von Kailua Entwicklern, die Validierungsfrequenz flexibel zu konfigurieren und einen schrittweisen Übergang zu vollständigen Validierungs-Rollup-Modi zu einem geringeren Preis zu ermöglichen.

Im Gegensatz zu ZK Rollups erfordert das Design von Kailua keine kontinuierliche Proof-Generierung. Für niedrigfrequente leere Blöcke oder Rollups mit speziellen Vertragsbedürfnissen bietet Kailua eine kostengünstigere Alternative. Kailua reduziert auch die Staking-Kosten für Rollups erheblich. Während traditionelle optimistische Rollups die Staking-Anforderungen linear erhöhen, wenn die Endgültigkeitsperiode verlängert wird, fixiert das optimierte Design von Kailua die Staking-Nachfrage und gewährleistet auch über längere Zeiträume hinweg Sicherheit und Aktivität zu niedrigeren Kosten.

Derzeit ist Kailua vollständig Open Source. Entwickler können seine Befehlszeilentools verwenden, um lokale Optimism-Testnetze bereitzustellen und schnell auf Netzwerke umzusteigen, die ZK-Fehlerbeweise unterstützen. Kailua unterstützt auch die Simulation von Fehleranträgen, wodurch Entwickler verstehen können, wie Validatoren fehlerhafte Zustände über zkVM herausfordern und tiefere Einblicke in den Streitbeilegungsmechanismus erhalten. In Zukunft wird Kailua die Kosten und Leistung weiter optimieren und die Unterstützung für weitere Rollup-Frameworks erweitern.

Zusammenfassung

Wie aus dem obigen Text hervorgeht, treibt die zkVM-Produktsuite von RISC Zero die Entwicklung der Nullwissenbeweistechnologie in verschiedenen Bereichen voran. Zeth und Kailua konzentrieren sich auf die Optimierung der Rollup-Architektur, die Verbesserung der Blockverifizierungseffizienz und die Geschwindigkeit der Streitbeilegung. Bonsai bietet Remote-Proof-Services, reduziert Hardware-Abhängigkeiten und Betriebskosten und ermöglicht es Entwicklern, Anwendungen effizienter zu erstellen. Blobstream Zero bietet eine effiziente plattformübergreifende Datenverifizierung und bietet zuverlässige Unterstützung für modulare Blockchain-Ökosysteme. Zusätzlich reduziert Steel die Gas-Kosten für die Ausführung von Smart Contracts durch sein Off-Chain-Computations- und On-Chain-Validierungsmodell.

Neben der kontinuierlichen Verbesserung der zkVM-Produktsuite treibt RISC Zero natürlich auch Innovationen in der zugrundeliegenden Technologie von zkVM voran. Kürzlich wurde die Version RISC Zero zkVM 1.2 veröffentlicht, die eine neue Vorkompilierungsmethode einführt, die es Entwicklern ermöglicht, vorkompilierte Logik zusammen mit Anwendungen bereitzustellen, ohne dass sie in die zkVM selbst integriert werden muss. Das bedeutet, dass Entwickler neue vorkompilierte Logik hinzufügen können, ohne On-Chain-Verifizierungsverträge zu ändern, sich mit Proof-Generatoren zu koordinieren oder größere Änderungen an der zkVM vorzunehmen, um Leistungsoptimierungen zu erzielen. Darüber hinaus kann durch die Definition von Vorkompilierungen durch Anwendungen der Rechenaufwand für die Beweisgenerierung reduziert werden. Nach der Integration des RSA-Vorkompilates reduzierte Automata beispielsweise den Ausführungszyklus von 39 Millionen auf 217.000 und senkte die Kosten um etwa das 180-fache.

Durch kontinuierliche Optimierung der zkVM-Technologie wird ihr Potenzial allmählich in mehreren Anwendungsszenarien zum Ausdruck kommen. Um dieses Potenzial jedoch vollständig zu entfalten, sind die Zusammenarbeit im Ökosystem und die tatsächliche Leistung der Technologieimplementierung nach wie vor entscheidend.

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