Descriptografar a matriz de produtos RISC Zero: como ajudar o Ethereum a avançar para um futuro com ZK?

Escrito por: LINDABELL

Na recente conferência Devcon, Justin Drake, membro central da Fundação Ethereum, apresentou a proposta Beam Chain, planejando atualizar a camada de consenso da Ethereum com as tecnologias zkSNARK e zkVM, a fim de melhorar a escalabilidade, segurança e eficiência da rede. Essa visão também trouxe destaque para a importância do zkVM. Como uma máquina virtual de conhecimento-zero genérica, o zkVM pode lidar com cálculos complexos de forma mais flexível e eficiente, ao mesmo tempo em que elimina a dependência da lógica de contratos inteligentes tradicionais.

Sob essa tendência, projetos como RISC Zero, Succinct e Cysic são vistos como importantes participantes impulsionando a inovação nesse campo. Em particular, o RISC Zero desenvolveu uma série de ferramentas de código aberto, como Zeth, Kailua e Bonsai, com base na arquitetura RISC-V zkVM, que não só melhoraram o desempenho da verificação de blocos e Rollup, mas também forneceram suporte técnico para a atualização da ZK do Ethereum.

Matriz de produtos ecossistêmicos RISC zkVM: desde a tecnologia central até aplicativos de cenários

O RISC Zero é uma implementação zkVM baseada na arquitetura de conjunto de instruções RISC-V. Como uma plataforma de computação com conhecimento zero geral, ela suporta várias linguagens de programação populares, como Rust e C++, e pode executar praticamente qualquer tarefa de computação. Em comparação com outras plataformas de tecnologia de conhecimento zero, os provadores e verificadores do RISC Zero são totalmente abertos e os desenvolvedores podem gerar e verificar provas localmente. Além disso, o verificador do RISC Zero é compatível com várias plataformas e pode se adaptar a diferentes ecossistemas de blockchain, simplificando o processo de desenvolvimento de aplicativos descentralizados.

Em junho deste ano, a RISC Zero lançou o zkVM 1.0. O zkVM 1.0 não apenas suporta várias linguagens e tarefas de computação complexas, mas também utiliza a tecnologia de Continuations para dividir a computação em larga escala em várias partes pequenas, para obter cálculos e verificações eficientes e paralelas. De acordo com o roteiro, a RISC Zero planeja aumentar em 20 vezes o desempenho e o custo do zkVM antes do final de 2024, com otimizações que incluem a migração completa do processo de prova para a GPU (80% concluída), a introdução de um novo design de circuito RISC-V v2 e otimizações específicas para circuitos recursivos. Ao mesmo tempo, a RISC Zero está integrando uma série de módulos de aceleração para algoritmos como RSA, Keccak, ECDSA, etc., para melhorar o desempenho de tarefas relacionadas ao Ethereum e operações de criptografia.

Em torno da capacidade central do zkVM, a RISC Zero desenvolveu uma série de ferramentas e produtos de código aberto. Por exemplo, por meio da rede Bonsai, serviços de prova podem ser conectados para permitir que os desenvolvedores gerem provas de conhecimento zero sem hardware especializado; por meio da ferramenta Steel, cálculos EVM complexos podem ser transferidos para um ambiente off-chain, mantendo ao mesmo tempo a verificabilidade dos resultados e reduzindo os custos de execução on-chain; e o Blobstream Zero, por meio da ponte com a camada de disponibilidade de dados Celestia, oferece mais possibilidades de compartilhamento e verificação de dados no ecossistema modular de blockchain.

Zeth: Prova que todo o bloco Ethereum está corretamente construído.

Zeth é um verificador de prova de conhecimento zero de código aberto para blocos de Ethereum, desenvolvido pela RISC Zero com base em sua tecnologia zkVM, que pode verificar a validade dos blocos Ethereum por meio de provas de conhecimento zero, sem depender de validadores tradicionais ou comitês de sincronização. A RISC Zero define Zeth como zkEVM Tipo-0, que é totalmente compatível com o protocolo Ethereum e melhora a eficiência de desenvolvimento por meio do reuso de código.

O co-fundador da Ethereum, Vitalik Buterin, dividiu o zkEVM em quatro tipos em seu artigo 'Different types of zk-EVMs', sendo que o Tipo 1 busca ser completamente equivalente ao Ethereum sem compromissos; o Tipo 2 se esforça para ser completamente equivalente ao EVM, mas não ao Ethereum; o Tipo 3 é quase equivalente ao EVM; e o Tipo 4 é completamente incompatível com o Ethereum.

Graças ao alto desempenho do RISC Zero zkVM, o Zeth pode verificar os blocos do Ethereum em questão de minutos. Os dados de teste mostram que o Zeth pode gerar provas de bloco a uma velocidade de 1,1 MHz e, com a extensão da característica 'continuações' para clusters de GPUs, pode alcançar velocidades de 4,7 MHz a 6,3 MHz. Essa otimização de desempenho também reduz o custo de geração de provas. De acordo com os testes, o custo de geração de provas para um bloco contendo 182 transações é de apenas 21,72 dólares, com um custo de cerca de 0,11 dólares por transação.

Ao mesmo tempo, no processo de desenvolvimento do Zeth, a equipe RISC Zero fez pleno uso dos componentes do ecossistema Rust, como revm, ethers e alloy, permitindo aos desenvolvedores implementar rapidamente a funcionalidade de prova de bloco e aplicá-la a diferentes cenários. Este design oferece aos desenvolvedores mais flexibilidade para ajustar a lógica de construção de blocos conforme necessário e adaptá-la a propostas de melhoria futuras do Ethereum.

No nível de aplicação, o Zeth fornece soluções eficientes para zk Rollup, clientes leves e pontes intercadeias. A construção do zk Rollup e do zkEVM tradicionais requer muito tempo e recursos, o que desencoraja equipes pequenas. No entanto, o Zeth, com sua arquitetura modular zkVM, permite que os desenvolvedores personalizem facilmente a lógica de validação de blocos. Por exemplo:

zk Rollup: Zeth can quickly achieve block proof, shorten the development cycle of ZK Rollup and reduce capital investment.

Cliente leve: Verifica a validade do bloco sem reconstruir o bloco, reduzindo os custos de execução.

Ponte Interligada: O Zeth, através do ZKP, pode verificar a precisão dos dados interligados sem revelar informações sensíveis na cadeia, reduzindo a dependência de terceiros e o risco de ataques interligados.

Em maio deste ano, o Zeth foi expandido com sucesso para suportar a extração de dados de bloco do Optimism da rede principal do Ethereum e gerar a verificação de ZKP da correção do bloco, além de suportar a verificação on-chain. Isso significa que, com a ajuda do Zeth, o Optimism pode verificar transações de forma mais eficiente e resolver disputas comerciais.

Bonsai: permite que os desenvolvedores gerem prova sem usar hardware próprio

O Bonsai é um serviço de prova remota projetado especificamente para aplicativos zkVM, permitindo que os desenvolvedores gerem provas sem a necessidade de hardware próprio, solucionando assim a contradição entre os recursos computacionais limitados na cadeia e os custos elevados. Com o Bonsai, os desenvolvedores só precisam definir o programa zkVM a ser executado e os dados de entrada, e o Bonsai executará os cálculos em segundo plano e gerará as provas de conhecimento zero correspondentes. Todo esse processo não requer que os desenvolvedores implantem hardware adicional. Além disso, o Bonsai aproveita um grande número de clusters de GPUs para lidar com várias tarefas de computação em paralelo. Além disso, o Bonsai oferece uma API e SDK simples e fácil de usar, permitindo que os desenvolvedores o integrem facilmente aos sistemas existentes, reduzindo ainda mais a dificuldade de desenvolvimento.

Com base deste serviço de prova remota, a RISC Zero lançou a ferramenta de código aberto Bonsai Pay, que combina autenticação de identidade OAuth2.0 e tecnologia ZKP, permitindo que os usuários enviem ou recebam tokens na rede Ethereum usando suas contas do Google. Por exemplo, quando Alice deseja transferir fundos para Bob, ela pode inserir o e-mail do Google de Bob e o valor da transferência no Bonsai Pay. Bob pode então fazer login no Bonsai Pay, inserir seu endereço de e-mail e concluir a autenticação da conta do Google. O Bonsai Pay usará o OAuth 2.0 para gerar um token de autorização, comprovando que Bob é realmente o proprietário desse e-mail. Em seguida, o Bonsai Pay chama o serviço de prova Bonsai para gerar uma prova de conhecimento zero, comprovando que a conta do Google de Bob está associada ao endereço da carteira. Após a verificação da prova pelo contrato inteligente, os fundos são desbloqueados e transferidos para o endereço da carteira de Bob.

Durante todo o processo, o Bonsai Pay verificou, através da tecnologia ZKP, o facto de que "a conta do Google do Bob está associada ao endereço da carteira", evitando ao mesmo tempo a divulgação de informações específicas da conta do Google.

Outra aplicação importante do Bonsai é o co-processador Bonsai ZK (ZK Co-processor). Ele utiliza a tecnologia de prova de conhecimento zero para transferir tarefas de computação complexas da cadeia para fora da cadeia e gera provas imutáveis para garantir a precisão dos resultados. Além disso, a implantação do co-processador Bonsai é muito simples, os desenvolvedores só precisam escrever um aplicativo zkVM para lidar com a lógica e chamar o Bonsai através de um contrato Solidity simples para executar o cálculo e verificar o resultado. Durante todo o processo, o serviço de prova do Bonsai é responsável por gerar provas de conhecimento zero para computações fora da cadeia, e essas provas podem ser verificadas na cadeia.

O co-processador Bonsai ZK é adequado para aplicações on-chain que exigem alto desempenho e baixo custo. Por exemplo, na governança de DAO, ele pode transferir cálculos complexos de votação off-chain, reduzindo significativamente as taxas de gás on-chain. O Bonsai DAO Governor reduziu o custo de gás por voto em mais de 50% usando o co-processador, melhorando efetivamente a eficiência da governança e reduzindo as barreiras de participação.

Boundless: Camada de Cálculo Verificável

Na arquitetura tradicional de blockchain, para garantir a validade das transações, todos os nós precisam executar repetidamente todos os cálculos de cada transação. Este modo de 'reexecução global' pode garantir segurança e consistência, mas também traz custos computacionais extremamente elevados. Para resolver este problema, a RISC Zero lançou o Boundless, que permite que um único nó conclua os cálculos e gere uma prova de conhecimento zero verificável, enquanto os outros nós só precisam verificar essa prova para confirmar o resultado, sem necessidade de reexecutar os cálculos.

Boundless simplifica o processo de verificação através da combinação recursiva de tecnologia. Ele combina várias pequenas provas de conhecimento zero em uma única prova global, permitindo que o verificador verifique apenas uma prova geral, em vez de verificar individualmente as provas de cada estágio. Para otimizar ainda mais a eficiência da geração de provas de conhecimento zero, o Boundless possui circuitos criptográficos especializados embutidos, que otimizam a eficiência de tarefas comuns, como cálculo de hash, verificação de assinatura digital, entre outras.

Além disso, os desenvolvedores que usam o Boundless não precisam ter um profundo conhecimento em tecnologia de conhecimento zero, apenas precisam escrever aplicativos em uma linguagem de programação familiar (como Rust ou Solidity). Atualmente, o Boundless está disponível gratuitamente para os desenvolvedores. Eles não precisam migrar sistemas existentes ou atualizar contratos de validação para aproveitar o serviço de provas oferecido pelo Boundless e construir e implantar rapidamente aplicativos de conhecimento zero em qualquer blockchain.

Blobstream Zero: Ponte de cross-chain para verificação de dados simplificada do zkVM

Blobstream Zero é uma ponte cross-chain baseada em zkVM lançada em colaboração com RISC Zero e Celestia, com o objetivo de conectar perfeitamente a camada de disponibilidade de dados da Celestia ao ecossistema modular de blockchain existente. Ao compartilhar e validar os dados na Celestia, o Blobstream Zero realiza transferência e validação de dados mais convenientes entre as cadeias.

Como um produto público totalmente open-source, o Blobstream Zero permite a qualquer projeto ou desenvolvedor executar instâncias locais e gerar provas de conhecimento zero. Além disso, o Blobstream Zero também pode suportar coprocessadores de conhecimento zero. Os coprocessadores de conhecimento zero são essencialmente ferramentas de computação off-chain, portanto, precisam de dados confiáveis para executar cálculos. O Blobstream Zero pode obter dados de blockchains como Celestia e pode comprovar a confiabilidade dos dados transferidos através da geração de provas de conhecimento zero.

Steel: um novo paradigma de contrato inteligente que executa fora da cadeia e verifica na cadeia

Steel é uma ferramenta de código aberto lançada pela RISC Zero, que utiliza a tecnologia zkVM para realizar a execução de contratos inteligentes verificáveis fora da cadeia. Através do Steel, os desenvolvedores podem transferir a execução do EVM da cadeia para fora dela, ao mesmo tempo que geram provas de conhecimento zero para garantir a autenticidade e verificabilidade dos resultados computacionais.

Os contratos inteligentes tradicionais precisam executar toda a lógica na cadeia, o que não só é custoso em termos de Gas, mas também limita o desenvolvimento de aplicativos complexos. O mecanismo de cálculo off-chain e verificação on-chain do Steel resolve esse problema. Por exemplo, em um contrato inteligente simples, verificar se o saldo ERC20 de uma conta é superior a 1 e incrementar uma variável de contagem. O método tradicional requer a execução completa da lógica na cadeia, enquanto o Steel realiza o cálculo off-chain e gera uma prova de conhecimento zero, com a verificação on-chain apenas necessária para validar a prova, sem a necessidade de reexecutar a lógica do contrato.

Atualmente, o RISC Zero lançou o Steel 1.0 e parceiros já estão usando essa ferramenta para desenvolver aplicativos. Por exemplo, em uma chamada de contrato que envolve aproximadamente 400.000 operações SLOAD, o cálculo é transferido para execução fora da cadeia por meio do Steel e, em seguida, a prova de conhecimento zero gerada é verificada na cadeia. O custo de geração da prova é inferior a 10 dólares e o custo de verificação na cadeia é inferior a 300.000 gas.

Kailua: Um plano híbrido ZK que impulsiona a inovação da arquitetura Rollup

Após o lançamento do Zeth, a RISC Zero lançou o Kailua, que oferece uma solução de atualização híbrida para o Optimistic Rollup. O Optimistic Rollup tradicional geralmente requer um período de desafio de 7 dias, resultando em finalidade de transação mais lenta, enquanto o ZK Rollup, embora possa alcançar a finalidade rapidamente, tem um custo alto de geração contínua de provas de conhecimento zero. O Kailua combina as vantagens de ambos, equilibrando custo e eficiência por meio de uma arquitetura híbrida. Como uma extensão do framework Optimism Kona, o Kailua não apenas suporta a execução do Kona não modificado no zkVM, mas também introduz um mecanismo inovador de resolução de disputas, reduzindo os requisitos de garantia e atrasos na finalidade, melhorando assim a eficiência e a disponibilidade do sistema.

Na arquitetura do Kailua, o mecanismo de disputa adota um design completamente novo. Em primeiro lugar, o mecanismo de resolução de disputas remove as restrições de tempo, permitindo que os validadores tenham tempo suficiente para gerar provas em situações especiais, como interrupções de rede, aumentando assim a resiliência do sistema. Mesmo em situações extremas, a arquitetura de expansão do RISC Zero zkVM ainda é capaz de concluir as provas em uma hora. Além disso, a função de verificação sob demanda do Kailua permite que os desenvolvedores configurem a frequência de verificação de forma flexível, facilitando a transição gradual para o modo de Rollup com verificação completa, a um custo mais baixo.

Ao contrário do ZK Rollup, o design do Kailua não requer a geração contínua de provas. Para Rollups de blocos vazios de baixa frequência ou com requisitos especiais de contratos, o Kailua oferece uma opção mais econômica. Ao mesmo tempo, o Kailua reduz significativamente o requisito de garantia do Rollup. A quantidade de garantia do tradicional Rollup otimista aumenta linearmente com um longo período de finalidade, enquanto o design otimizado do Kailua fixa o requisito de garantia, permitindo que o sistema mantenha a segurança e a atividade a um custo mais baixo, mesmo em longos períodos.

Atualmente, Kailua está completamente aberto. Os desenvolvedores podem usar sua ferramenta de linha de comando para implantar uma rede de teste local Optimism e atualizá-la rapidamente para suportar redes à prova de falhas ZK. Kailua também suporta propostas de falha simulada, ajudando os desenvolvedores a entender como os validadores desafiam estados incorretos por meio do zkVM, a fim de compreender melhor seu mecanismo de resolução de disputas. No futuro, Kailua será ainda mais otimizado em termos de custo e desempenho, e será expandido para suportar mais estruturas Rollup.

Resumo

A partir do texto acima, pode-se ver que a matriz de produtos zkVM da RISC Zero está impulsionando o desenvolvimento da tecnologia de prova zero em várias áreas. Zeth e Kailua se concentram na otimização da arquitetura Rollup, melhorando a eficiência da verificação de blocos e a velocidade de resolução de disputas. Bonsai fornece serviços de prova remota, reduzindo a dependência de hardware e os custos de operação, permitindo que os desenvolvedores construam aplicativos de forma mais eficiente. Além disso, o Blobstream Zero verifica eficientemente os dados entre cadeias, fornecendo suporte confiável para a ecologia modular de blockchain. Além disso, o Steel, por meio do modelo de cálculo off-chain e verificação on-chain, reduz o custo de execução de contratos inteligentes em termos de Gas.

Naturalmente, enquanto continua a aprimorar constantemente a matriz de produtos zkVM, o RISC Zero também está impulsionando continuamente a inovação da tecnologia subjacente do zkVM. Recentemente, o zkVM RISC Zero lançou a versão 1.2, introduzindo uma nova forma de pré-compilação que permite aos desenvolvedores implantar a lógica pré-compilada juntamente com o aplicativo, sem a necessidade de incorporá-la no próprio zkVM. Isso significa que os desenvolvedores podem adicionar nova lógica pré-compilada sem modificar os contratos de verificação on-chain ou as configurações de coordenadores de prova, e sem bifurcar ou alterar drasticamente o zkVM para obter otimização de desempenho. Além disso, a pré-compilação definida pelo aplicativo também pode reduzir o custo computacional da geração de provas. Por exemplo, após a integração do RSA pré-compilado pela Automata, o ciclo de execução foi reduzido de 39 milhões para 21,7 mil, resultando em uma redução de custos de cerca de 180 vezes.

Com a contínua otimização da tecnologia zkVM, o seu potencial de desenvolvimento será gradualmente demonstrado em vários cenários de aplicação, mas para liberar melhor esse potencial, ainda é necessário depender da colaboração e do desempenho prático da implantação da tecnologia.