Descifrar la matriz de productos RISC Zero: ¿Cómo ayudar a Ethereum a avanzar hacia el futuro de ZK?

Escrito por: LINDABELL

En la reciente conferencia Devcon, Justin Drake, miembro principal de la Fundación Ethereum, presentó la propuesta de Beam Chain, con planes de actualizar la capa de consenso de Ethereum a través de la tecnología zkSNARK y zkVM, con el fin de mejorar la escalabilidad, seguridad y eficiencia de la red. Esta visión también ha vuelto a destacar la importancia de zkVM. Como una máquina virtual de conocimiento cero general, zkVM puede manejar cálculos complejos de manera más flexible y eficiente, al tiempo que se libera de la dependencia de la lógica de contratos inteligentes tradicionales.

Impulsados por esta tendencia, proyectos como RISC Zero, Succinct y Cysic son considerados actores importantes en la promoción de la innovación en este campo. En particular, RISC Zero ha desarrollado una serie de herramientas de código abierto, como zkVM basado en la arquitectura RISC-V, Zeth, Kailua y Bonsai, que no solo mejoran el rendimiento de la verificación de bloques y Rollup, sino que también brindan soporte técnico para la actualización de ZK en Ethereum.

Matriz de productos ecológicos RISC zkVM: desde la tecnología central hasta la aplicación en escenarios

RISC Zero es una implementación del zkVM basada en la arquitectura de conjunto de instrucciones RISC-V. Como plataforma de cálculo de conocimiento cero general, admite varios lenguajes de programación populares como Rust y C++, y puede ejecutar casi cualquier tarea de cálculo. En comparación con otras plataformas de tecnología de conocimiento cero, los verificadores y validadores de RISC Zero son completamente de código abierto, lo que permite a los desarrolladores generar y validar pruebas localmente. Además, el validador de RISC Zero es compatible con múltiples plataformas y puede adaptarse a diferentes ecosistemas de blockchain, lo que simplifica el proceso de desarrollo de aplicaciones descentralizadas.

En junio de este año, RISC Zero lanzó zkVM 1.0. zkVM 1.0 no solo admite varios lenguajes y tareas de cálculo complejas, sino que también utiliza la tecnología de Continuations para dividir los cálculos a gran escala en segmentos más pequeños, logrando una computación y verificación paralelas eficientes. Según la hoja de ruta, RISC Zero planea lograr un aumento de rendimiento y costos de zkVM de 20 veces para finales de 2024, con optimizaciones que incluyen la migración completa del proceso de prueba a GPU (completado en un 80%), la introducción de un nuevo diseño de circuito RISC-V v2, y optimizaciones específicas para circuitos recursivos, entre otros. Al mismo tiempo, RISC Zero está integrando una serie de módulos de aceleración para algoritmos como RSA, Keccak, ECDSA, etc., para mejorar el rendimiento de tareas relacionadas con Ethereum y operaciones de cifrado.

En torno a la capacidad central de zkVM, RISC Zero también ha desarrollado una serie de herramientas y productos de código abierto. Por ejemplo, a través de la red Bonsai, los desarrolladores pueden generar pruebas sin conocimiento sin necesidad de hardware especializado; con la herramienta Steel, se puede transferir el cálculo complejo de EVM al entorno fuera de la cadena mientras se mantiene la verificabilidad de los resultados y se reduce el costo de ejecución en la cadena; y con Blobstream Zero, se proporcionan más posibilidades para compartir y verificar datos en el ecosistema de blockchain modular al conectar la capa de disponibilidad de datos Celestia.

Zeth: demostrar que todo el bloque de Ethereum está construido correctamente

Zeth es un verificador de prueba de conocimiento cero de código abierto para bloques de Ethereum, desarrollado por RISC Zero basado en su tecnología zkVM, que puede verificar la validez de los bloques de Ethereum a través de pruebas de conocimiento cero sin depender de validadores tradicionales o comités de sincronización. RISC Zero define Zeth como un zkEVM de tipo 0, que es totalmente compatible con el protocolo Ethereum y mejora la eficiencia del desarrollo mediante la reutilización de código.

El cofundador de Ethereum, Vitalik Buterin, divide zkEVM en cuatro tipos en su artículo "Diferentes tipos de zk-EVMs": el Tipo-1 busca ser completamente equivalente a Ethereum sin compromisos; el Tipo-2 se esfuerza por ser totalmente equivalente a EVM pero no a Ethereum; el Tipo-3 es casi igual a EVM; y el Tipo-4 es completamente incompatible con Ethereum.

Gracias a la alta velocidad de RISC Zero zkVM, Zeth puede verificar los bloques de Ethereum en cuestión de minutos. Los datos de prueba muestran que Zeth puede generar pruebas de bloques a una velocidad de 1.1 MHz y aumentar la velocidad a 4.7 MHz a 6.3 MHz mediante la función de 'continuaciones' para extender el clúster de GPU. Esta optimización de rendimiento también reduce el costo de generación de pruebas. Según las pruebas, el costo de generación de pruebas para un bloque con 182 transacciones es de solo 21.72 dólares, a un costo de aproximadamente 0.11 dólares por transacción.

Mientras tanto, en el proceso de desarrollo de Zeth, el equipo de RISC Zero aprovechó al máximo los componentes del ecosistema Rust, como revm, ethers y alloy, lo que permite a los desarrolladores implementar rápidamente la funcionalidad de prueba de bloques y aplicarla a diferentes escenarios. Este diseño brinda más flexibilidad a los desarrolladores para ajustar la lógica de construcción de bloques según sea necesario y adaptarse a las propuestas de mejora futuras de Ethereum.

En el nivel de la aplicación, Zeth proporciona soluciones eficientes para zk Rollup, clientes ligeros y puentes entre cadenas. La construcción tradicional de zk Rollup y zkEVM requiere mucho tiempo y dinero, lo que hace que los equipos pequeños se echen para atrás. Con la arquitectura modular zkVM de Zeth, los desarrolladores pueden personalizar fácilmente la lógica de verificación de bloques. Por ejemplo:

Zeth puede lograr rápidamente pruebas de bloque, acortando así el ciclo de desarrollo y reduciendo la inversión de capital de ZK Rollup.

Cliente ligero: verifica la validez del bloque sin reconstruirlo, lo que reduce los costos de ejecución.

Puente de cadena cruzada: Zeth puede verificar la corrección de los datos de cadena cruzada sin revelar información sensible en la cadena mediante ZKP, lo que reduce la dependencia de la confianza en terceros y disminuye el riesgo de ataques de cadena cruzada.

En mayo de este año, Zeth se expandió con éxito para admitir la extracción de datos de bloques de Optimism de la red principal de Ethereum y generar la verificación de ZKP de la corrección del bloque, y también admite la verificación en cadena. En otras palabras, con Zeth, Optimism puede verificar las transacciones de manera más eficiente y resolver disputas comerciales.

Bonsai: permite a los desarrolladores generar pruebas sin usar hardware propio

Bonsai es un servicio de prueba remota diseñado específicamente para aplicaciones zkVM, que permite a los desarrolladores generar pruebas sin utilizar sus propios recursos de hardware, resolviendo así la contradicción entre los recursos limitados y los altos costos de cálculo en la cadena. Con Bonsai, los desarrolladores solo necesitan definir la aplicación zkVM que desean ejecutar y los datos de entrada, y Bonsai ejecutará los cálculos en segundo plano y generará las pruebas de conocimiento cero correspondientes. Todo este proceso no requiere que los desarrolladores implementen hardware adicional. Además, Bonsai utiliza un gran conjunto de GPU para admitir la ejecución paralela de múltiples tareas de cálculo. Además, Bonsai proporciona una API y una interfaz SDK sencillas de usar, lo que facilita a los desarrolladores su integración en sistemas existentes y reduce aún más la dificultad de desarrollo.

Basado en este servicio de prueba remota, RISC Zero ha lanzado la herramienta de código abierto Bonsai Pay, que combina la autenticación de identidad de OAuth2.0 y la tecnología ZKP, lo que permite a los usuarios enviar o recibir tokens en la red Ethereum a través de su cuenta de Google. Por ejemplo, cuando Alice desea transferir fondos a Bob, Alice puede ingresar el correo electrónico de Google de Bob y la cantidad a transferir a través de Bonsai Pay. Luego, Bob puede iniciar sesión en Bonsai Pay, ingresar su dirección de correo electrónico y completar la autenticación de su cuenta de Google. Bonsai Pay generará un token de autorización utilizando OAuth 2.0 para demostrar que Bob es el propietario legítimo de esa dirección de correo electrónico. Luego, Bonsai Pay llamará al servicio de prueba de Bonsai para generar una prueba de conocimiento cero que demuestre que la cuenta de Google de Bob está relacionada con la dirección de la billetera. Después de que el contrato inteligente verifique la prueba, los fondos se desbloquearán y se transferirán a la dirección de la billetera de Bob.

Durante todo el proceso, Bonsai Pay verificó mediante tecnología ZKP el hecho de que la cuenta de Google de Bob está asociada con la dirección de la billetera, al tiempo que evitó revelar información específica de la cuenta de Google.

Otra aplicación importante de Bonsai es el coprocesador Bonsai ZK (ZK Co-processor). Utiliza la tecnología de prueba de conocimiento cero para transferir tareas computacionales complejas desde la cadena a fuera de la cadena y generar pruebas inmutables para garantizar la corrección de los resultados. Además, la implementación del coprocesador Bonsai es muy sencilla: los desarrolladores solo necesitan escribir una aplicación zkVM para manejar la lógica y llamar a Bonsai mediante contratos Solidity simples para ejecutar y verificar los cálculos. Durante todo el proceso, el servicio de prueba de Bonsai se encarga de generar pruebas de conocimiento cero para los cálculos fuera de la cadena, las cuales se pueden verificar en la cadena.

Los coprocesadores Bonsai ZK son ideales para aplicaciones en cadena que requieren alto rendimiento y bajo costo. Por ejemplo, en la gobernanza de DAO, puede descargar complejos cálculos de votación fuera de la cadena, lo que reduce significativamente las tarifas de gas en la cadena. Bonsai DAO Governor ha reducido el costo de la gasolina por boleto en más del 50% a través de coprocesadores, mejorando efectivamente la eficiencia de la gobernanza y reduciendo la barrera a la participación.

Boundless: Capa de cálculo verificable

En la arquitectura de la cadena de bloques tradicional, para garantizar la validez de las transacciones, todos los nodos deben repetir todos los cálculos de cada transacción. Este modo de "re-ejecución global" puede garantizar la seguridad y la consistencia, pero también trae un costo de cálculo extremadamente alto. Para resolver este problema, RISC Zero lanzó Boundless, lo que permite que un solo nodo complete el cálculo y genere una prueba de conocimiento cero verificable. Otros nodos solo necesitan verificar esta prueba para confirmar el resultado sin tener que repetir la ejecución del cálculo.

Boundless simplifica el proceso de verificación a través de la técnica de combinación recursiva. Combina múltiples pruebas de conocimiento cero en una prueba global, lo que permite al verificador verificar solo una prueba general en lugar de verificar individualmente cada etapa de la prueba. Para optimizar aún más la eficiencia de generación de pruebas de conocimiento cero, Boundless incorpora circuitos de aceleración criptográfica especializados que optimizan tareas comunes como cálculos hash y verificación de firmas digitales.

Además, los desarrolladores que utilizan Boundless no necesitan comprender a fondo la tecnología de conocimiento cero, solo necesitan escribir aplicaciones con un lenguaje de programación familiar (como Rust o Solidity). Actualmente, Boundless ha abierto acceso gratuito a los desarrolladores. Los desarrolladores pueden aprovechar el servicio de prueba proporcionado por Boundless para construir y desplegar rápidamente aplicaciones de conocimiento cero en cualquier cadena de bloques sin tener que migrar sistemas existentes o actualizar contratos de validación.

Blobstream Zero: un puente intercadena de zkVM que simplifica la verificación de datos entre cadenas

Blobstream Zero es un puente intercadena basado en zkVM desarrollado en colaboración entre RISC Zero y Celestia, que tiene como objetivo conectar sin problemas la capa de disponibilidad de datos de Celestia con el ecosistema existente de cadenas de bloques modulares. Al compartir y verificar los datos en Celestia, Blobstream Zero permite una transferencia y verificación de datos más conveniente entre cadenas de bloques.

Como producto público completamente de código abierto, Blobstream Zero permite que cualquier proyecto o desarrollador ejecute una instancia local y genere pruebas de conocimiento cero. Además, Blobstream Zero también puede admitir coprocesadores ZK. Los coprocesadores ZK son en esencia una herramienta de computación fuera de la cadena, por lo que requieren datos confiables para realizar cálculos. Blobstream Zero puede obtener datos de blockchains como Celestia y puede demostrar la confiabilidad de los datos transmitidos mediante la generación de pruebas de conocimiento cero.

Steel: un nuevo paradigma de contratos inteligentes con ejecución fuera de la cadena y validación en la cadena

Steel es una herramienta de código abierto lanzada por RISC Zero que utiliza la tecnología zkVM para lograr la ejecución de contratos inteligentes verificables fuera de la cadena. Con Steel, los desarrolladores pueden trasladar la ejecución de operaciones de EVM desde la cadena a la cadena, al mismo tiempo que generan pruebas de conocimiento cero para garantizar la autenticidad y verificabilidad de los resultados computacionales.

Los contratos inteligentes tradicionales requieren la ejecución completa de toda la lógica en la cadena, lo que no solo tiene un alto costo en Gas, sino que también limita el desarrollo de aplicaciones complejas. El mecanismo de cálculo fuera de la cadena y verificación en la cadena de Steel resuelve este problema. Por ejemplo, en un contrato inteligente simple, se verifica si el saldo de ERC20 de una cuenta es mayor que 1 y se incrementa una variable de contador. El método tradicional requiere la ejecución completa de la lógica en la cadena, mientras que con Steel, se realiza el cálculo fuera de la cadena y se genera una prueba de conocimiento cero, la cual solo necesita ser verificada en la cadena sin necesidad de ejecutar la lógica del contrato de nuevo.

RISC Zero ha lanzado Steel 1.0 y ya hay socios que han utilizado esta herramienta para desarrollar aplicaciones. Por ejemplo, en una llamada de contrato que realiza aproximadamente 400,000 operaciones SLOAD, se utiliza Steel para transferir el cálculo a una ejecución fuera de la cadena, luego se verifica la prueba de conocimiento cero generada en la cadena. El costo de generación de la prueba es inferior a 10 dólares y el costo de verificación en la cadena es inferior a 300,000 Gas.

Kailua: una solución híbrida ZK que impulsa la innovación de la arquitectura Rollup

Después del lanzamiento de Zeth, RISC Zero ha presentado Kailua, que ofrece una solución híbrida para Optimistic Rollup como una mejora de ZK Rollup. El Rollup optimista tradicional generalmente requiere un período de desafío de 7 días, lo que resulta en una finalización lenta de las transacciones, mientras que ZK Rollup, aunque logra una finalización rápida, tiene costos continuos elevados para la generación de pruebas de conocimiento cero. Kailua combina las ventajas de ambos, logrando un equilibrio entre costos y eficiencia a través de una arquitectura híbrida. Como una extensión del marco Optimism Kona, Kailua no solo admite la ejecución sin modificaciones de Kona en zkVM, sino que también introduce un innovador mecanismo de resolución de controversias, reduce los requisitos de apuesta y disminuye la demora en la finalización, mejorando así la eficiencia y disponibilidad del sistema.

En la arquitectura de Kailua, el mecanismo de controversia adopta un diseño completamente nuevo. En primer lugar, su mecanismo de resolución de controversias elimina el límite de tiempo, lo que permite a los validadores tener tiempo suficiente para generar pruebas en situaciones especiales como interrupciones en la red, fortaleciendo así la elasticidad del sistema. Incluso en situaciones extremas, la arquitectura ampliada de RISC Zero zkVM puede completar las pruebas en una hora. Además, la función de verificación bajo demanda de Kailua permite a los desarrolladores configurar la frecuencia de verificación de forma flexible, facilitando la transición gradual al modo Rollup de verificación completa con costos más bajos.

A diferencia de ZK Rollup, el diseño de Kailua no requiere la generación continua de pruebas. Para los Rollup de baja frecuencia o con requisitos de contratos especiales, Kailua ofrece una opción más rentable. Al mismo tiempo, Kailua también reduce significativamente los requisitos de depósito para Rollup. La cantidad de depósito tradicional para Optimistic Rollup aumentará linealmente con un ciclo de finalidad más largo, mientras que el diseño optimizado de Kailua fija los requisitos de depósito, lo que permite que el sistema mantenga la seguridad y la actividad a un costo más bajo incluso en un ciclo largo.

Kailua is now fully open source. Developers can use its command line tool to deploy a local Optimism test network and quickly upgrade to a network that supports ZK fault proofs. Kailua also supports simulating fault proposals to help developers understand how validators challenge incorrect states through zkVM, thus gaining a deeper understanding of its dispute resolution mechanism. In the future, Kailua will further optimize costs and performance, and expand support to more Rollup frameworks.

Resumen

Como se puede ver en lo anterior, la matriz de productos zkVM de RISC Zero está impulsando el desarrollo de la tecnología de prueba de conocimiento cero en varias áreas. Zeth y Kailua se centran en optimizar la arquitectura Rollup para mejorar la eficiencia de la validación de bloques y la resolución de disputas. Bonsai ofrece un servicio de atestación remota que reduce las dependencias de hardware y los costos operativos, lo que permite a los desarrolladores crear aplicaciones de manera más eficiente. Blobstream Zero proporciona un soporte fiable para un ecosistema de cadena de bloques modular mediante la verificación eficiente de los datos entre cadenas. Además, Steel reduce el costo de gas de la ejecución de contratos inteligentes a través de la computación fuera de la cadena y la verificación dentro de la cadena.

Por supuesto, mientras continúa mejorando la matriz de productos zkVM, RISC Zero también sigue impulsando la innovación en la tecnología subyacente de zkVM. Recientemente, se lanzó la versión 1.2 de RISC Zero zkVM, que introduce una nueva forma de precompilación que permite a los desarrolladores implementar la lógica de precompilación junto con la aplicación sin la necesidad de incorporarla en zkVM en sí. Esto significa que los desarrolladores pueden agregar nueva lógica de precompilación sin necesidad de modificar el contrato de verificación en la cadena o la configuración del demostrador, y sin necesidad de realizar un fork o una modificación importante en zkVM para mejorar el rendimiento. Además, al definir la precompilación de aplicaciones, también se puede reducir el costo computacional de generación de pruebas. Por ejemplo, después de integrar la precompilación RSA de Automata, el ciclo de ejecución se redujo de 39 millones a 217 mil, lo que redujo el costo en aproximadamente 180 veces.

Con la continua optimización de la tecnología zkVM, su potencial de desarrollo se reflejará gradualmente en múltiples escenarios de aplicación. Sin embargo, para liberar mejor este potencial, aún se requiere una colaboración e implementación efectiva en el ecosistema.