Розшифруйте матрицю продуктів RISC Zero: як допомогти Ethereum у майбутньому ZK?

Написав: ЛІНДАБЕЛЛ

На останній конференції Devcon основний учасник Ethereum Foundation Justin Drake запропонував проект Beam Chain, який планує оновити консенсусний рівень Ethereum за допомогою технології zkSNARK та zkVM з метою покращення масштабованості, безпеки та ефективності мережі. Це бачення також знову звернуло увагу на важливість zkVM. Як загальновживана віртуальна машина з нульовим знанням, zkVM може обробляти складні обчислення більш гнучко та ефективно, уникнувши залежності від логіки традиційних розумних контрактів.

Під цим трендом проекти, такі як RISC Zero, Succinct та Cysic, розглядаються як важливі учасники, що сприяють інноваціям у цій галузі. Зокрема, завдяки zkVM на основі архітектури RISC-V, RISC Zero розробив цілий ряд відкритих інструментів, таких як Zeth, Kailua та Bonsai, які покращують продуктивність блок-перевірки та Rollup, а також надають технічну підтримку для оновлення Ethereum до ZK.

Екологічна матриця продуктів RISC zkVM: від основних технологій до сценаріїв застосування

RISC Zero - це реалізація zkVM, що базується на архітектурі RISC-V інструкційного набору. Як універсальна платформа нульового знання, вона підтримує різні популярні мови програмування, такі як Rust і C++, і майже може виконувати будь-яку обчислювальну задачу. У порівнянні з іншими платформами нульового знання, довірені особи та перевіряючі RISC Zero є повністю відкритими джерелами, розробники можуть створювати та перевіряти докази локально. Крім того, верифікатори RISC Zero сумісні з різними платформами, що дозволяє адаптуватися до різних екосистем блокчейнів і спрощує процес розробки децентралізованих додатків.

У червні цього року RISC Zero випустив zkVM 1.0. zkVM 1.0 підтримує не лише різноманітні мови та складні обчислювальні завдання, але й використовує технологію Continuations для розділення великих обчислень на дрібні частини, щоб забезпечити ефективні паралельні обчислення та верифікацію. Згідно з дорожньою картою, RISC Zero планує до кінця 2024 року збільшити продуктивність та ефективність zkVM в 20 разів, оптимізуючи процеси, включаючи повне перенесення процесу підтвердження на GPU (вже завершено на 80%), впровадження нового дизайну схем RISC-V v2 та спеціалізовану оптимізацію рекурсивних схем. Водночас RISC Zero інтегрує низку модулів прискорення для алгоритмів RSA, Keccak, ECDSA тощо, призначених для покращення продуктивності завдань та криптографічних операцій, пов'язаних з Ethereum.

Навколо основних функцій zkVM RISC Zero також розробила серію відкритих інструментів та продуктів. Наприклад, за допомогою мережі Bonsai сервісу доведення, розробники можуть генерувати докази знань без спеціалізованого обладнання; за допомогою інструменту Steel можна перенести складні обчислення EVM до виконання в позаланцюговому середовищі, забезпечуючи при цьому перевірність результатів та зниження витрат на виконання в ланцюговому середовищі; а Blobstream Zero через місток до шару доступності даних Celestia відкриває більше можливостей для обміну та перевірки даних у модулярному екосистемі блокчейну.

Zeth: підтвердження того, що весь блок Ethereum був побудований правильно

Zeth - це відкритий нуль-знання блок-підтверджувач для Ethereum, розроблений RISC Zero на основі його технології zkVM, який може підтверджувати дійсність блоків Ethereum за допомогою доказів нуль-знання, не покладаючись на традиційних перевіряючих або комітет синхронізації. RISC Zero визначає Zeth як Type-0 zkEVM, який є повністю сумісним з протоколом Ethereum та забезпечує підвищення ефективності розробки через повторне використання коду.

Співзасновник Ethereum Віталік Бутерін у своїй статті «Different types of zk-EVMs» розділив zkEVM на чотири типи, серед яких Type-1 прагне повністю і безжалісно еквівалентний Ethereum; Type-2 прагне бути повністю еквівалентним EVM, але не повністю еквівалентним Ethereum; Type-3 майже еквівалентний EVM; Type-4 абсолютно несумісний з Ethereum.

Завдяки високій продуктивності RISC Zero zkVM, Zeth здатний перевіряти блоки Ethereum за лічені хвилини. Тестові дані показують, що Zeth може генерувати докази блоку на частоті 1,1 МГц і масштабувати кластери GPU до 4,7 МГц до 6,3 МГц з функціями «продовжень». Така оптимізація продуктивності також знижує витрати на генерацію доказів. Згідно з тестуванням, блок, що містить 182 транзакції, коштує лише $21,72 за генерацію доказів, що коштує близько $0,11 за транзакцію.

Тим часом, під час розробки Zeth, команда RISC Zero повністю використовувала компоненти екосистеми Rust, такі як revm, ethers і alloy, щоб розробники могли швидко реалізувати функцію доведення блоку та застосовувати її в різних сценаріях. Цей дизайн надає розробникам більше гнучкості, щоб адаптувати логіку побудови блоку за потребою та адаптувати її для майбутніх пропозицій щодо покращення Ethereum.

На рівні додатків Zeth надає ефективні рішення для zk Rollup, легкого клієнта та містка міжланцюжкового моста. Традиційна побудова zk Rollup та zkEVM вимагає великих затрат часу та коштів, що засмучує невеликі команди. Але завдяки модульній архітектурі zkVM Zeth дозволяє розробникам легко налаштовувати логіку перевірки блоків. Наприклад:

zk Rollup: Zeth може швидко реалізувати доказ блоку, що дозволяє скоротити терміни розробки ZK Rollup та знизити фінансові витрати.

Легкий клієнт: перевірка дійсності блоку без необхідності повторної побудови блоку, зниження витрат на функціонування.

Міст міжланцюжкової комунікації: Zeth може підтвердити правильність даних про міжланцюжкову комунікацію, не розголошуючи чутливу інформацію на ланцюжку, що зменшує залежність від довіри до третіх сторін та ризик атаки на міжланцюжкову комунікацію.

У травні цього року Zeth успішно розширився, щоб підтримувати екстракцію даних блоків Optimism з головної мережі Ethereum та генерувати ZKP для перевірки правильності блоку, а також підтримувати перевірку на ланцюжку. Це означає, що завдяки Zeth Optimism може більш ефективно перевіряти транзакції та вирішувати спори.

Bonsai: дозволяє розробникам генерувати підтвердження без використання власного обладнання

Bonsai - це послуга дистанційних доказів, спеціально розроблена для додатків zkVM, що дозволяє розробникам генерувати докази без використання власного обладнання, тим самим вирішуючи проблему обмеженості обчислювальних ресурсів та високих витрат на ланцюжку. За допомогою Bonsai розробники просто визначають програму zkVM, яку потрібно виконати, та вхідні дані, і Bonsai запускає обчислення на задньому плані та генерує відповідний доказ знання. Цей процес повністю не потребує додаткових пристроїв розробника. Крім того, Bonsai використовує багато GPU кластерів та підтримує паралельну обробку багатьох обчислювальних завдань. Крім того, Bonsai надає простий у використанні API та SDK інтерфейси, щоб розробники могли легко інтегрувати його у наявні системи, що додатково знижує складність розробки.

На основі цієї послуги доказу на відстані, RISC Zero випустив відкритий інструмент Bonsai Pay, який поєднує аутентифікацію особи OAuth2.0 та технологію ZKP, що дозволяє користувачам надсилати або отримувати токени в мережі Ethereum за допомогою облікового запису Google. Наприклад, коли Еліс хоче переказати кошти Бобу, Еліс може ввести електронну адресу Google Боба і суму переказу за допомогою Bonsai Pay. Потім Боб може увійти в систему Bonsai Pay, ввести свою електронну адресу і завершити перевірку особи облікового запису Google. Bonsai Pay буде використовувати OAuth 2.0 для створення авторизаційного токена, що підтверджує, що Боб дійсно є власником цієї електронної адреси. Потім Bonsai Pay викликає сервіс Bonsai Proof для створення доказу нульового знання, що підтверджує, що обліковий запис Google Боба пов'язаний з адресою гаманця. Після перевірки доказу розумного контракту кошти розблоковуються та передаються на гаманець Боба.

Під час всього процесу Bonsai Pay підтвердив факт пов'язаності облікового запису Google Боба з адресою гаманця за допомогою технології ZKP, уникнувши витоку конкретної інформації про обліковий запис Google.

Ще одним важливим застосуванням Bonsai є Bonsai ZK-копроцесор (ZK Co-processor). За допомогою технології доказу відсутності знань він переносить складні обчислювальні завдання з ланцюжка на ланцюжок та генерує неузурпований доказ, щоб забезпечити правильність результатів. Водночас розгортання копроцесора Bonsai є дуже простим, розробникам потрібно лише написати додаток zkVM для обробки логіки, і через простий виклик Solidity контракту Bonsai виконати обчислення та перевірити результат. Протягом усього процесу служба доказів Bonsai відповідальна за генерацію доказів доказу відсутності знань на ланцюжку, які можна перевірити на ланцюжку.

Bonsai ZK копроцесор призначений для ланцюжкових додатків, які вимагають високої продуктивності і низьких витрат. Наприклад, в управлінні ДАО він може переносити складні обчислення голосування на ланцюг поза ланцюгом, що суттєво знижує витрати на газ в ланцюгу. Завдяки копроцесору Bonsai DAO Governor знижує вартість газу за кожен голос на понад 50%, що ефективно підвищує ефективність управління та знижує поріг участі.

Boundless: верифікований обчислювальний шар

У традиційній архітектурі блокчейну, для забезпечення дійсності транзакції всі вузли повинні повторно виконувати всі обчислення для кожної транзакції. Цей режим «глобального повторного виконання» забезпечує безпеку і узгодженість, але також приносить високі обчислювальні витрати. Щоб вирішити цю проблему, RISC Zero представила Boundless, що дозволяє одному вузлу виконувати обчислення і створювати перевірене доказ нульового знання, а іншим вузлам потрібно тільки перевірити цей доказ, щоб підтвердити результат без повторного виконання обчислень.

Boundless застосовує техніку рекурсивного комбінування, щоб спростити процес перевірки. Він об'єднує кілька невеликих доказів універсальності в один загальний доказ, що дозволяє перевіряючому лише перевірити загальний доказ, а не перевіряти кожен окремий доказ на кожній стадії. Щоб подальш оптимізувати ефективність генерування доказів універсальності, Boundless вбудовує спеціалізовані криптографічні прискорювальні схеми, які оптимізують ефективність таких загальних завдань, як обчислення хешу, перевірка цифрового підпису тощо.

Крім того, розробники, які використовують Boundless, не потребують глибокого розуміння технології нульового знання, достатньо написати програму на відомій мові програмування (наприклад, Rust або Solidity). Наразі Boundless відкритий для розробників для безкоштовного доступу. Розробники можуть швидко будувати та розгортати додатки нульового знання на будь-якому блокчейні, використовуючи послуги proving, які надає Boundless, без необхідності міграції існуючої системи або оновлення верифікаційного контракту.

Blobstream Zero: спрощена міжланцюжкова містка для перевірки даних zkVM

Blobstream Zero - це міжланцюговий міст на базі zkVM, створений у співпраці RISC Zero та Celestia з метою безшовного підключення шару доступності даних Celestia до існуючої модулярної блокчейн-екосистеми. Шляхом спільного використання та підтвердження даних на Celestia, Blobstream Zero забезпечує більш зручну передачу та перевірку даних між ланцюжками.

Як повністю відкритий громадський продукт, Blobstream Zero дозволяє будь-якому проекту або розробнику запускати локальні екземпляри та генерувати нульові докази знань. Крім того, Blobstream Zero може підтримувати ZK-коопроцесор. ZK-коопроцесор суттєво є знаряддям обчислень поза ланцюжком, тому потребує надійних даних для виконання обчислень. За допомогою Blobstream Zero можна отримувати дані з блокчейнів, таких як Celestia, та доводити, що передані дані є надійними шляхом генерації нульових доказів знань.

Steel: новий парадигма умов умов, що виконуються під ланцюгом та перевіряються на ланцюзі

Steel — це інструмент з відкритим вихідним кодом, запущений RISC Zero, який використовує технологію zkVM для забезпечення виконання смарт-контрактів поза мережею, що піддається перевірці. За допомогою Steel розробники можуть переводити операції EVM з ончейн в офчейн, генеруючи докази з нульовим розголошенням, щоб забезпечити автентичність і перевірюваність результатів обчислень.

Традиційні розумні контракти повинні виконувати всю логіку на ланці, що призводить до високих витрат на газ, а також обмежує розробку складних додатків. Механізм обчислення поза ланкою та перевірки поза ланкою Steel вирішує цю проблему. Наприклад, у простому розумному контракті перевіряється, чи є баланс облікового запису ERC20 більшим за 1, і збільшується лічильник. У традиційному підході логіка повинна виконуватись на ланці повністю, тоді як Steel виконує обчислення поза ланкою та генерує докази знань, а ланка лише перевіряє докази, не потребуючи повторного виконання логіки контракту.

Наразі RISC Zero випустив Steel 1.0, і вже є партнери, які використовують цей інструмент для розробки додатків. Наприклад, при виклику контракту, який обробляє близько 400 000 операцій SLOAD, обчислення було перенесене на виконання поза ланцюжком за допомогою Steel, а потім було підтверджено на ланцюжку шляхом перевірки згенерованого доказу знань. Вартість генерації доказу менше 10 доларів США, а вартість підтвердження на ланцюжку менше 300 000 Gas.

Kailua: гібридна ZK-схема, що сприяє інноваціям у структурі Rollup

Після випуску Zeth RISC Zero запустив Kailua, що надає гібридну модель оновлення для оптимістичного Rollup з метою надання швидкості ZK Rollup. Традиційний оптимістичний Rollup зазвичай потребує 7-денного строку виклику, що призводить до повільної остаточності угод, тоді як ZK Rollup, хоча і може швидко досягти остаточності, має занадто високі витрати на постійне створення доказів знань. Kailua поєднує переваги обох, досягаючи балансу між витратами та ефективністю через гібридну архітектуру. Як розширення фреймворка Optimism Kona, Kailua підтримує не модифіковану роботу Kona на zkVM, а також впроваджує інноваційний механізм вирішення суперечок, знижує вимоги до застави та скорочує затримку у визначенні остаточності, тим самим підвищуючи ефективність і доступність системи.

У каркасі Kailua механізм суперечок використовує зовсім новий дизайн. По-перше, його механізм вирішення суперечок скасував обмеження часу, що дозволяє перевіряючим мати достатньо часу для створення підтвердження у випадку відключення мережі та інших спеціальних випадків, що збільшує гнучкість системи. Навіть в екстремальних умовах розширений каркас RISC Zero zkVM все ще може завершити підтвердження протягом години. Крім того, функція потребується перевірки в Kailua дозволяє розробникам гнучко налаштовувати частоту перевірки, щоб поетапно переходити до повного режиму перевірки Rollup за менші кошти.

По відмінності від ZK Rollup, Kailua не потребує постійного генерування доказів. Для низькочастотних порожніх блоків або Rollup з особливими вимогами до контрактів, Kailua надає більш ефективний вибір. Крім того, Kailua суттєво знижує вимоги до забезпечення Rollup. Кількість забезпечень традиційного оптимістичного Rollup зростає лінійно з тривалістю циклу здійснення, тоді як оптимізований дизайн Kailua фіксує вимоги до забезпечення, що дозволяє системі зберігати безпеку та активність за більш низьку ціну навіть в довготривалому циклі.

Наразі Kailua повністю відкритий. Розробники можуть використовувати інструмент командного рядка для розгортання локальної тестової мережі Optimism та швидко оновлюватися до мережі, що підтримує ZK докази невдач. Kailua також підтримує моделювання пропозицій про невдачі, що допомагає розробникам зрозуміти, як перевірники викликають помилкові стани через zkVM, щоб глибше зрозуміти їх механізм вирішення суперечок. У майбутньому Kailua буде додатково оптимізований за вартістю та продуктивністю та розширений на підтримку більшої кількості Rollup-фреймворків.

Узагальнення

З вищезазначеного можна побачити, що продуктова матриця zkVM RISC Zero сприяє розвитку технології нульового доведення в багатьох галузях. Zeth та Kailua зосереджені на оптимізації архітектури Rollup, що підвищує ефективність перевірки блоків та швидкість вирішення суперечок. Bonsai надає послуги віддаленого доведення, знижуючи апаратну залежність та витрати на експлуатацію, що дозволяє розробникам більш ефективно будувати додатки. А Blobstream Zero, завдяки ефективній перевірці міжланцюжкових даних, надає надійну підтримку для модулярного екосистеми блокчейну. Крім того, Steel за допомогою обчислень поза ланцюжком та перевірки на ланцюжку знижує витрати на газ для виконання розумних контрактів.

Звичайно, RISC Zero продовжує просувати інновації в базовій технології zkVM, одночасно постійно вдосконалюючи матрицю продуктів zkVM. Недавно RISC Zero zkVM випустив версію 1.2, в якій було введено новий спосіб передкомпіляції, який дозволяє розробникам встановлювати передвстановлену логіку разом з програмами, без необхідності вбудовувати її в сам zkVM. Це означає, що розробники можуть додавати нову передкомпіляційну логіку без потреби змінювати підтверджені контракти на ланцюжку або параметри мережевих довідок, а також без необхідності розділення або значної модифікації zkVM, щоб забезпечити покращення продуктивності. Крім того, застосування передкомпіляції, визначеної користувачем, може зменшити вартість обчислень для генерації підтверджень. Наприклад, після інтеграції Automata з передкомпіляцією RSA час виконання скоротився з 39 млн до 21,7 тис., а вартість знизилася в 180 разів.

З розвитком технології zkVM її потенціал буде поступово проявлятися в різних сценаріях застосування, проте для більш ефективного використання цього потенціалу все ще потрібна співпраця в екосистемі та практична реалізація технологій.