Расшифровка матрицы продуктов RISC Zero: как помочь Ethereum двигаться в будущее ZK?

Написал: LINDABELL

На недавней конференции Devcon основной участник Фонда Эфириума Джастин Дрейк представил предложение Beam Chain, с целью модернизации консенсусного уровня Эфириума с использованием технологий zkSNARK и zkVM для повышения масштабируемости, безопасности и эффективности сети. Это видение также привлекло внимание к важности zkVM. В качестве универсальной виртуальной машины с нулевым разглашением zkVM способна обрабатывать сложные вычисления более гибко и эффективно, избавляясь от зависимости от традиционной логики умных контрактов.

Под влиянием этой тенденции проекты, такие как RISC Zero, Succinct и Cysic, рассматриваются как важные участники инноваций в этой области. В частности, RISC Zero разработал набор инструментов с открытым исходным кодом, таких как Zeth, Kailua и Bonsai, основанный на архитектуре RISC-V zkVM, которые не только повышают производительность блоковой проверки и Rollup, но и обеспечивают техническую поддержку для обновления Ethereum на базе ZK.

Матрица экосистемных продуктов RISC zkVM: от основных технологий до прикладных сценариев

RISC Zero - это реализация zkVM на основе архитектуры набора команд RISC-V. В качестве универсальной платформы для вычислений с нулевым разглашением данных она поддерживает различные популярные языки программирования, такие как Rust и C++, и может выполнять практически любые вычислительные задачи. По сравнению с другими платформами для нулевых знаний, RISC Zero предоставляет полностью открытые исходные коды для проверяющих и подтверждающих лиц, что позволяет разработчикам генерировать и проверять утверждения локально. Кроме того, валидаторы RISC Zero совместимы с различными платформами и могут быть адаптированы для различных экосистем блокчейн, что упрощает процесс разработки децентрализованных приложений.

В июне этого года RISC Zero выпустил zkVM 1.0. zkVM 1.0 поддерживает не только множество языков и сложные вычислительные задачи, но также использует технологию Continuations для разделения масштабных вычислений на несколько маленьких сегментов, обеспечивая эффективные параллельные вычисления и проверку. Согласно дорожной карте, RISC Zero планирует увеличить производительность и снизить затраты zkVM в 20 раз к концу 2024 года, оптимизация включает полное перенос процесса доказательства на GPU (завершен на 80%), внедрение нового дизайна цепей RISC-V v2, а также специальную оптимизацию рекурсивных цепей. В то же время RISC Zero интегрирует ряд ускорительных модулей для алгоритмов RSA, Keccak, ECDSA и других, чтобы повысить производительность задач, связанных с Ethereum, и операций шифрования.

Вокруг основных возможностей zkVM RISC Zero также разработан ряд открытых инструментов и продуктов. Например, сеть Bonsai позволяет разработчикам генерировать нулевые доказательства без специализированного оборудования; с помощью инструмента Steel можно выполнять сложные вычисления EVM внецепочно, сохраняя при этом возможность верификации результатов и снижая затраты на выполнение в цепи; а Blobstream Zero, используя слой доступности данных Celestia, предоставляет больше возможностей для совместного использования и проверки данных в модульной экосистеме блокчейна.

Zeth：доказательство того, что весь блокчейн Ethereum был правильно построен

Zeth — это проверщик блоков Ethereum с нулевым разглашением с открытым исходным кодом, разработанный RISC Zero на основе технологии zkVM, которая может проверять действительность блоков Ethereum с помощью доказательств с нулевым разглашением, не полагаясь на традиционных валидаторов или комитеты по синхронизации. RISC Zero определяет Zeth как zkEVM типа 0, который полностью совместим с протоколом Ethereum и повышает эффективность разработки за счет повторного использования кода.

Соучредитель Ethereum Виталик Бутерин в своей статье «Различные типы zk-EVM» делит zkEVM на четыре категории, из которых Type-1 стремится быть полностью и бескомпромиссно эквивалентным Ethereum; Type-2 стремится быть полностью эквивалентным EVM, но не совсем эквивалентным Ethereum; Type-3 почти эквивалентен EVM; Type-4 полностью несовместим с Ethereum.

Благодаря высокой производительности RISC Zero zkVM Zeth может подтвердить блок Ethereum в течение нескольких минут. Тестовые данные показывают, что Zeth может генерировать доказательство блока со скоростью 1,1 МГц и расширять скорость до 4,7 МГц - 6,3 МГц с помощью функции «продолжения» для расширения GPU-кластера. Это оптимизация производительности также снижает стоимость генерации доказательства. Согласно тестам, стоимость генерации доказательства для блока, содержащего 182 транзакции, всего 21,72 доллара, а стоимость каждой транзакции составляет около 0,11 доллара.

В процессе разработки Zeth команда RISC Zero полностью использовала компоненты экосистемы Rust, такие как revm, ethers и alloy, что позволяет разработчикам быстро реализовать функциональность блокчейна и применять ее в различных сценариях. Этот дизайн предоставляет разработчикам большую гибкость, позволяя им настраивать логику построения блоков и адаптироваться к будущим предложениям по усовершенствованию Ethereum по мере необходимости.

На уровне приложений Zeth предоставляет эффективное решение для zk Rollup, легких клиентов и кросс-цепочечных мостов. Традиционное построение zk Rollup и zkEVM требует больших затрат времени и средств, что отпугивает небольшие команды. Zeth, основанный на модульной архитектуре zkVM, позволяет разработчикам легко настраивать логику проверки блоков. Например:

zk Rollup：Zeth способен быстро достигнуть доказательства блока, сократить период разработки ZK Rollup и снизить инвестиции в финансы.

Легкий клиент: проверка действительности блока без необходимости его повторного построения, снижение затрат на выполнение.

Мост между цепями: Zeth может проверять правильность данных межцепочечных транзакций, не раскрывая конфиденциальной информации на цепи блоков, используя ZKP, что уменьшает зависимость от доверия к третьим сторонам и снижает риск атак на межцепочечные транзакции.

В мае этого года Zeth успешно расширилась, чтобы поддерживать извлечение данных блоков Optimism из основной сети Ethereum и генерацию ZKP для проверки правильности блоков, а также поддерживать проверку на цепи. Другими словами, с помощью Zeth Optimism может более эффективно проверять транзакции и разрешать споры о транзакциях.

Bonsai: позволяет разработчикам создавать корректуры без использования собственного оборудования

Bonsai - это сервис удаленного подтверждения, специально разработанный для приложений zkVM, который позволяет разработчикам генерировать подтверждения без использования собственного оборудования, тем самым разрешая противоречие между ограниченными вычислительными ресурсами на цепочке и высокими затратами. С помощью Bonsai разработчики могут определить необходимое для выполнения приложение zkVM и входные данные, после чего Bonsai выполнит вычисления в фоновом режиме и сгенерирует соответствующее доказательство знания. Все это происходит без необходимости развертывания дополнительного аппаратного обеспечения. Кроме того, Bonsai использует множество кластеров GPU для параллельной обработки нескольких вычислительных задач. Кроме того, Bonsai предоставляет простой и удобный API и SDK интерфейсы, что позволяет разработчикам легко интегрировать их в существующие системы, дополнительно снижая уровень сложности разработки.

На основе этой службы удаленного подтверждения RISC Zero выпустила инструмент с открытым исходным кодом Bonsai Pay, который объединяет аутентификацию по протоколу OAuth2.0 и технологию ZKP, позволяя пользователям отправлять или получать токены на сети Ethereum с помощью учетной записи Google. Например, когда Алиса хочет перевести средства Бобу, Алиса может ввести в Bonsai Pay электронную почту Боба и сумму перевода. Затем Боб может войти в Bonsai Pay, ввести адрес электронной почты и пройти аутентификацию учетной записи Google. Bonsai Pay будет использовать OAuth 2.0 для генерации токена авторизации, подтверждающего, что Боб действительно является владельцем этой электронной почты. Затем Bonsai Pay вызывает службу доказательства Bonsai, чтобы сгенерировать нулевое доказательство, подтверждающее, что учетная запись Google Боба связана с адресом кошелька. После проверки доказательства смарт-контрактом средства разблокируются и переводятся на адрес кошелька Боба.

Во время всего процесса Bonsai Pay с помощью технологии ZKP подтвердила факт связи «аккаунта Google Боба с кошельком» и избежала разглашения конкретной информации об аккаунте Google.

Еще одним важным применением Bonsai является процессор Bonsai ZK (ZK Co-processor). Он использует технологию доказательства нулевого знания для переноса сложных вычислительных задач с цепи на внешнюю цепь и создания неизменяемых доказательств для обеспечения правильности результатов. В то же время развертывание процессора Bonsai очень просто: разработчикам достаточно написать приложение zkVM для обработки логики и вызвать Bonsai с помощью простого контракта Solidity для выполнения вычислений и проверки результатов. Во время всего этого процесса сервис доказательств Bonsai отвечает за создание доказательства нулевого знания для вычислений во внешней цепи, которые могут быть проверены на цепи.

Bonsai ZK сопроцессор предназначен для цепных приложений, требующих высокой производительности и низких затрат. Например, в управлении DAO он может переносить сложные расчеты голосования вне цепи, что значительно снижает расходы на Gas в цепи. Благодаря сопроцессору Bonsai DAO Governor удалось снизить затраты на Gas для каждого голоса более чем на 50%, что эффективно повысило эффективность управления и снизило порог участия.

Беспредельный: Проверяемый вычислительный слой

В традиционной архитектуре блокчейна все узлы должны повторно выполнять все вычисления по каждой транзакции, чтобы обеспечить их допустимость. Этот режим «полного повторного выполнения» обеспечивает безопасность и согласованность, но также приводит к высоким вычислительным затратам. Чтобы решить эту проблему, RISC Zero представила Boundless, позволяющую одному узлу выполнить вычисления и сгенерировать верифицируемое доказательство нулевого знания, а другим узлам достаточно проверить это доказательство для подтверждения результата, без повторного выполнения вычислений.

Boundless упрощает процесс проверки с помощью рекурсивной комбинации технологий. Он объединяет несколько маленьких доказательств в одно общее доказательство, позволяя проверяющему проверить только общее доказательство, необходимость проверки каждого отдельного этапа доказательства отпадает. Для дальнейшего оптимизации производительности генерации доказательств знаний, Boundless включает специализированные криптографические ускорители, оптимизирующие эффективность выполнения общих задач, таких как хэширование, проверка электронной подписи и т. д.

Кроме того, разработчики, использующие Boundless, не нуждаются в глубоком понимании технологии нулевого знания, им достаточно написать приложение на знакомом языке программирования (например, Rust или Solidity). В настоящее время Boundless доступен для разработчиков бесплатно. Разработчикам не нужно мигрировать существующую систему или обновлять проверочные контракты, чтобы использовать услуги proving, предоставляемые Boundless, и быстро создавать и развертывать приложения с нулевым знанием на любой блокчейн.

Blobstream Zero: межцепочечный мост для упрощенной верификации данных zkVM

Blobstream Zero - это межцепочечный мост на основе zkVM, разработанный совместно RISC Zero и Celestia, который предназначен для плавного соединения уровня доступности данных Celestia с существующей модульной экосистемой блокчейна. Путем совместного использования и проверки данных на Celestia, Blobstream Zero обеспечивает более удобную передачу и проверку данных между цепочками.

В качестве полностью открытого общего продукта Blobstream Zero позволяет любому проекту или разработчику запускать локальный экземпляр и создавать нулевые доказательства. Кроме того, Blobstream Zero может поддерживать ZK-сопроцессоры. ZK-сопроцессор в основном является инструментом вычислений вне цепи, поэтому для выполнения вычислений требуется надежные данные. Blobstream Zero может получать данные из блокчейнов, таких как Celestia, и может подтверждать, что передаваемые данные надежны с помощью генерации ZK-доказательства.

Steel: новая парадигма смарт-контрактов для выполнения смарт-контрактов вне цепи и верификации в цепи

Steel - это инструмент с открытым исходным кодом, разработанный RISC Zero, который использует технологию zkVM для реализации выполнения умных контрактов, которые можно проверить вне цепи. С помощью Steel разработчики могут переместить выполнение операций EVM с цепи на внешнюю цепь, одновременно создавая доказательства нулевого знания, чтобы гарантировать подлинность и возможность проверки вычисленных результатов.

Традиционный умный контракт требует полного выполнения всей логики на цепочке, что не только дорого в плане Gas, но и ограничивает разработку сложных приложений. Механизм оффчейн-вычислений и верификации на цепочке Steel решает эту проблему. Например, в простом умном контракте проверяется, больше ли баланс ERC20 определенного аккаунта 1, и увеличивается переменная счетчика. В традиционном подходе логика должна полностью выполняться на цепочке, в то время как Steel выполняет вычисления оффчейн и генерирует нулевое доказательство, и цепочка лишь проверяет доказательство, избегая повторного выполнения логики контракта.

В настоящее время RISC Zero выпустил Steel 1.0, а некоторые партнеры уже использовали этот инструмент для разработки приложений. Например, в вызове контракта, выполняющем около 400 000 операций SLOAD, вычисления были перенесены на внеленинговое выполнение с помощью Steel, а затем было проверено на цепи, сгенерированное доказательство нулевого знания. Себестоимость генерации доказательства составляет менее 10 долларов, а стоимость проверки на цепи составляет менее 300 000 газов.

Kailua：движение смешанной ZK-схемы, стимулирующее инновации в архитектуре Rollup

После выпуска Zeth RISC Zero представила Kailua, предлагающую гибридное обновление для оптимистичного Rollup, объединяющее преимущества ZK Rollup. Традиционный оптимистичный Rollup обычно требует 7-дневного периода оспаривания, что замедляет окончательность транзакций, в то время как ZK Rollup, хотя и обеспечивает быструю окончательность, но имеет высокую стоимость непрерывного создания доказательств нулевого знания. Kailua объединяет преимущества обеих моделей, достигая баланса между стоимостью и эффективностью через гибридную архитектуру. В качестве расширения фреймворка Optimism Kona, Kailua поддерживает запуск неизмененного Kona на zkVM и вводит инновационный механизм разрешения споров, снижает требования к залогу и уменьшает задержку окончательности, тем самым повышая эффективность и доступность системы.

В архитектуре Kailua механизм споров использует новый дизайн. Во-первых, его механизм разрешения споров удаляет ограничение по времени, позволяя проверяющим иметь достаточно времени для генерации доказательств в случае особых ситуаций, таких как обрывы связи в сети, что увеличивает гибкость системы. Даже в экстремальных случаях расширенная архитектура RISC Zero zkVM может завершить доказательство в течение одного часа. Кроме того, функция по требованию проверки Kailua позволяет разработчикам гибко настраивать частоту проверки, чтобы постепенно перейти к полной проверке в режиме Rollup с более низкими затратами.

В отличие от ZK Rollup, дизайн Kailua не требует постоянного генерирования подтверждений. Для низкочастотных пустых блоков или Rollup с особыми требованиями к контрактам Kailua предлагает более эффективный выбор. Кроме того, Kailua значительно снижает требования к залогу Rollup. В традиционных оптимистических Rollup объем залога увеличивается линейно с длительным периодом окончательности, в то время как оптимизированный дизайн Kailua фиксирует требования к залогу, что позволяет системе поддерживать безопасность и активность с более низкими затратами даже в долгосрочной перспективе.

В настоящее время Kailua полностью открыт. Разработчики могут использовать его инструмент командной строки для развертывания локальной тестовой сети Optimism и быстрого перехода к сети с поддержкой ZK-доказательств отказоустойчивости. Kailua также поддерживает моделирование предложений об отказах, чтобы помочь разработчикам понять, как провайдеры подтверждений вызывают ошибочные состояния через zkVM, чтобы глубже понять их механизм разрешения споров. В будущем Kailua также будет дополнительно оптимизировать затраты и производительность, а также расширять поддержку на более многочисленные фреймворки Rollup.

Общий вывод

Из вышесказанного видно, что продуктовая матрица zkVM RISC Zero продвигает развитие технологии нулевого доказательства в нескольких областях. Zeth и Kailua сосредоточены на оптимизации архитектуры Rollup, что повышает эффективность проверки блоков и скорость разрешения споров. Bonsai предоставляет удаленные доказательства, снижая зависимость от аппаратных средств и затрат на эксплуатацию, что позволяет разработчикам более эффективно строить приложения. Blobstream Zero эффективно проверяет межцепочные данные, обеспечивая надежную поддержку модульной экосистемы блокчейна. Кроме того, Steel снижает затраты на газ при выполнении смарт-контрактов путем использования модели вычислений вне цепи и проверки внутри цепи.

Конечно, в то время как продуктовая матрица zkVM постоянно совершенствуется, RISC Zero также продолжает совершенствовать инновации в основных технологиях zkVM. Недавно RISC Zero zkVM выпустил версию 1.2, в которую был внесен новый метод предварительной компиляции, позволяющий разработчикам развертывать предварительную компиляцию вместе с приложением, не встраивая ее в сам zkVM. Это означает, что разработчики могут добавлять новую предварительную компиляцию без изменения контрактов проверки на цепи или конфигурации агрегаторов подтверждений, а также без необходимости в разветвлении или существенных изменениях zkVM для оптимизации производительности. Кроме того, применение определенной разработкой предварительной компиляции также может снизить вычислительные затраты на генерацию подтверждений. Например, интеграция RSA предварительной компиляции Automata уменьшила количество выполненных циклов с 39 миллионов до 21,7 тысячи, что привело к сокращению затрат примерно в 180 раз.

С развитием технологии zkVM ее потенциал будет постепенно проявляться во многих сценариях применения, но для более полного раскрытия этого потенциала все еще нужна практическая реализация экосистемного сотрудничества и технологий.