Im sich schnell entwickelnden Bereich der Blockchain-Technologie wurden viele Protokolle vorgeschlagen und implementiert. Jedes Protokoll verwendet jedoch eine andere Konsensmethode – vom rechnerischen Proof-of-Work bis zum anreizbasierten Proof-of-Stake usw. Seit den Anfängen der Blockchain wurden Liquidität und Vermögenswerte aufgrund unterschiedlicher Protokolle in verschiedenen Aspekten wie Konsens, Sicherheit und Programmiersprachen nach und nach auf verschiedene Ketten verteilt. Als Lösung für dieses Problem erweisen sich kettenübergreifende Brücken, die die Fragmentierung verringern und die Liquidität zwischen verschiedenen Blockchains integrieren. Ein solches Cross-Chain-Bridge-Protokoll ist Wormhole, das die Zirkulation von Kryptowährungen und nicht fungiblen Token (NFTs) zwischen verschiedenen Smart-Contract-Blockchains wie Solana und Ethereum erleichtert.
Aktuelle Risiken von Cross-Chain-Brücken
Cross-Chain-Brücken können ziemlich knifflig sein. Die Gewährleistung der Sicherheit der Cross-Chain-Brücke ist eine wichtige Herausforderung, da in Smart Contracts oder zentralen Depotbanken gespeicherte Vermögenswerte geschützt werden müssen. Da die Gelder der Brücke zentral gespeichert werden, war sie in der Vergangenheit ein Ziel für Hacker. Das sich weiterentwickelnde Design von Brücken bietet Angreifern auch Möglichkeiten, neue Schwachstellen und Exploits zu finden. Im Jahr 2022 wurde Wormhole gehackt, nachdem ein Sicherheitsupdate auf Github hochgeladen worden war, was zu einem Verlust von 325 Millionen US-Dollar führte. Der Hacker hatte Erfolg und entwendete die Gelder. Chainalysis berichtet, dass Cross-Chain-Bridge-Angriffe im Jahr 2022 69 % der gesamten gestohlenen Gelder ausmachten.
Eine weitere Herausforderung war die schlechte Leistung und die Abhängigkeit von zentralen Stellen. Aktuelle kettenübergreifende Brücken haben Probleme mit der Skalierbarkeit. Um den Status beider Ketten zu aktualisieren und anzupassen, benötigen Cross-Chain-Bridges viel Rechenleistung und Speicherkapazität, was zu einem erheblichen Overhead führt. Um diese Belastung zu verringern, sind einige Cross-Chain-Brücken zu einem ausschussähnlichen Ansatz übergegangen, bei dem nur eine begrenzte Anzahl von Validatoren (oder sogar nur Multisig-Inhaber) staatliche Übertragungen genehmigen. Dieser Ansatz setzt sie jedoch Schwachstellen und potenziellen Angriffen aus.
Es sind diese Probleme, die Entwickler dazu veranlasst haben, nach alternativen Lösungen zu suchen, insbesondere solchen, die wissensfreie Kryptografie nutzen. Unter diesen Ansätzen macht die Nutzung der zk-SNARKs-Technologie die Notwendigkeit eines Ausschussmodells überflüssig und gewährleistet gleichzeitig die Skalierbarkeit des Netzwerks.
Cross-Chain-Brücke basierend auf der zk-SNARKs-Technologie
Derzeit gibt es mehrere Projekte, die ZK-Technologie-Brückenlösungen für verschiedene Ökosysteme und Entwicklungsstadien entwickeln, wie zum Beispiel:
Prägnante Labore
zkIBC von Electron Labs
zkBridge von Polyhedra Network
Diese Initiativen nutzen die zk-SNARKS-Technologie, um das Design von Cross-Chain-Brücken zu revolutionieren. Um alle diese Ansätze erfolgreich umzusetzen, ist jedoch ein Light-Client-Protokoll eine wichtige Voraussetzung – eine Software, die eine Verbindung zu vollständigen Knoten herstellt und die Interaktion mit der Blockchain erleichtert. Dieses Protokoll stellt sicher, dass Knoten Blockheader effizient mit dem bestätigten Blockchain-Status synchronisieren können.
Bei der Anwendung der zk-SNARKs-Technologie auf Cross-Chain-Brücken ergeben sich zwei Hauptherausforderungen. Erstens erfordern Cross-Chain-Brücken einen größeren Schaltungsumfang als Rollups. Zweitens muss das Problem der Minimierung des Speicher- und Rechenaufwands in der Kette gelöst werden.
Prägnante Labore
Succinct Labs entwickelt einen Light-Client für den PoS-Konsens (Proof-of-Stake) von Ethereum 2.0 und schafft so eine vertrauensminimierte Cross-Chain-Brücke zwischen Gnosis und Ethereum. Diese kettenübergreifende Brücke nutzt die Effizienz von zk-SNARKS, um Konsensgültigkeitsnachweise in der Kette auf prägnante Weise zu überprüfen.
Der Aufbau umfasst ein synchronisiertes Komitee aus 512 Validatoren, die alle 27 Stunden zufällig ausgewählt werden. Diese Validatoren sind dafür verantwortlich, jeden Blockheader innerhalb des ihnen zugewiesenen Zeitraums zu signieren. Der Status von Ethereum gilt als gültig, wenn mehr als ⅔ seiner Validatoren jeden Blockheader signieren. Der Verifizierungsprozess umfasst hauptsächlich die Verifizierung der folgenden Punkte:
1. Merkle-Beweis des Blockheaders
2. Merkle-Nachweis der Validatoren im Synchronisationsausschuss
3. BLS-Unterschrift, um die korrekte Rotation der Synchronisationsausschüsse sicherzustellen
Dieser Prozess verursacht erhebliche Rechenkosten, da das Grundkonzept darin besteht, dass der Light-Client zk-SNARK (Groth16) verwendet, um einen Beweis konstanter Größe (Gültigkeitsnachweis) zu erstellen, der in der Gnosis-Kette effizient verifiziert werden kann. Der Beweis wird durch Off-Chain-Berechnungen generiert. Dazu gehört der Aufbau einer Schaltung, die den Validator und seine Signatur überprüft, und dann die Erstellung eines zk-SNARK-Beweises. Der Beweis und der Blockheader werden dann zur Überprüfung an einen Smart Contract in der Gnosis-Kette übermittelt.
Die Einführung von zk-SNARKs trägt dazu bei, den Speicheraufwand und die Schaltungskomplexität zu reduzieren und dadurch Vertrauensannahmen zu reduzieren. Dennoch ist dieser Ansatz speziell für das Ethereum 2.0-Konsensprotokoll und EVM optimiert und erfordert möglicherweise eine größere Anpassungsfähigkeit, um auf andere Blockchain-Netzwerke anwendbar zu sein.
Erst im Juli dieses Jahres machte Succinct Labs eine wichtige Ankündigung und bestätigte, dass sein Ethereum ZK Light-Client offiziell in das Mainnet integriert wurde, um die Sicherheit der Gnosis Omnibridge zu erhöhen. Durch diese Integration sichert sich Succinct Labs die Gnosis Omnibridge, die derzeit über einen Total Value Lock (TVL) von über 40 Millionen US-Dollar verfügt und bisher über 1,5 Milliarden US-Dollar an Stablecoin-Vermögensströmen ermöglicht hat.
zkIBC von Electron Labs
Electron Labs baut eine kettenübergreifende Brücke, die aus dem Cosmos SDK-Ökosystem stammt, einem Framework für anwendungsspezifische Blockchains. Seine Cross-Chain-Brücke wird die IBC-Technologie (Inter-Chain Communication) nutzen, um eine nahtlose Kommunikation zwischen allen innerhalb des Frameworks definierten unabhängigen Blockchains zu ermöglichen.
Allerdings ist die Implementierung eines Light-Clients des Cosmos SDK in Ethereum mit Schwierigkeiten verbunden. Der vom Cosmos SDK verwendete Tendermint Light-Client läuft auf der Twisted Edwards Curve (Ed25519), einer Kurve, die die Ethereum-Blockchain nicht nativ unterstützt. Daher ist die Überprüfung von Ed25519-Signaturen auf der BN254-Kurve von Ethereum teuer und ineffizient. Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelt Electron Labs eine Lösung basierend auf der zk-SNARKs-Technologie. Dieses System generiert einen Off-Chain-Beweis für die Signaturgültigkeit und überprüft nur den Beweis in der Ethereum-Kette, wodurch dieses Problem effektiv gelöst wird.
Durch diesen Ansatz können Ed25519-Signaturen im Cosmos SDK effizient und kostengünstig auf der Ethereum-Blockchain verifiziert werden, ohne dass zusätzliche Vertrauensannahmen eingeführt werden müssen. Ein potenzielles Problem, mit dem dieser Ansatz konfrontiert sein kann, ist jedoch die Latenz. Die Blockgenerierungsrate im Cosmos SDK beträgt 7 Sekunden. Um mit dieser Rate Schritt zu halten, muss die Proofzeit deutlich verkürzt werden. Electron Labs beabsichtigt, dieses Problem zu lösen, indem mehrere Computer gleichzeitig Beweise erstellen und diese dann zu einem einzigen zk-SNARK-Beweis zusammenführen.
zkBridge von Polyhedra Network
Im Vergleich zu den beiden anderen branchenführenden Cross-Chain-Bridge-Konstruktionen, die auf wissensfreien Beweisen basieren, zeichnet sich zkBridge durch sein flexibles und vielfältiges Framework aus, das die Entwicklung mehrerer Anwendungen auf seiner Plattform erleichtert. Es nutzt zk-SNARKs effektiv, um einen effizienten Kommunikationsprozess einzurichten, der es dem Prüfer ermöglicht, die Empfangskette davon zu überzeugen, dass in der Sendekette ein bestimmter Zustandsübergang stattgefunden hat. Das zkBridge-Framework besteht aus zwei Schlüsselkomponenten:
Block-Header-Relay-Netzwerk: Diese Komponente ruft den Block-Header von der Sendekette ab, generiert einen Beweis zur Validierung des Block-Headers und überträgt dann sowohl den Block-Header als auch den Beweis an den Aktualisierungsvertrag in der Empfangskette.
Vertrag aktualisieren: Dieser Teil verwaltet einen Light-Client-Status und integriert ihn automatisch in den Blockheader der Sendekette, nachdem der Zuordnungsnachweis überprüft wurde. Darüber hinaus wird auch der aktuelle Hauptkettenstatus der Sendekette aktualisiert.
Der Hauptunterschied zwischen zkBridge und anderen branchenführenden Ansätzen besteht darin, dass zkBridge lediglich die Anwesenheit eines ehrlichen Knotens im Relay-Netzwerk erfordert und die Zuverlässigkeit von zk-SNARKs voraussetzt.
Ein wichtiger Fortschritt in diesem Build liegt in der parallelen Verwendung von zk-SNARKs: dem Virgo-Beweis (deVirgo), der ein neuartiges verteiltes Beweissystem einführt, um den Beweiserstellungsprozess zu beschleunigen, und rekursive Beweise verwendet, um die Kosten für die Beweisüberprüfung in der Kette zu senken von. deVirgo stützt sich auf das GKR-Protokoll und ein Polynom-Commitment-Schema, um Beweise für Schaltkreise zu generieren, die mehrere Signaturen überprüfen. Der deVirgo-Proof wird dann durch den Groth16-Prover komprimiert und durch den Update-Vertrag auf der Ziel-Blockchain verifiziert. Die Kombination dieser Beweissysteme ermöglicht es zkBridge, eine effiziente kettenübergreifende Kommunikation zu ermöglichen, ohne auf externe Vertrauensannahmen angewiesen zu sein.
Die Mainnet-Alpha-Version von zkBridge wurde im April 2023 veröffentlicht und ermöglicht nun die kettenübergreifende Interoperabilität zwischen mehreren L1- und L2-Blockchain-Netzwerken wie BNB Chain, Ethereum und Arbitrum. In seiner Rede auf der zkDAY 2023-Veranstaltung des ETHCC Paris betonte Tiancheng Xie, CTO von Polyhedra Network, dass das Protokoll seit seiner Einführung im Mainnet mehr als 50.000 täglich aktive Benutzer und 800.000 monatlich aktive Benutzer angezogen hat.
Mit seiner modularen Architektur eröffnet zkBridge Entwicklern und Benutzern enorme Möglichkeiten. Zu diesen Möglichkeiten gehören Token-Bridging und -Swap, Messaging und Rechenlogik, die sich an Zustandsänderungen zwischen verschiedenen Blockchain-Netzwerken anpasst.
Zusammenfassen
Durch die Einbindung der zk-SNARKs-Technologie in das Cross-Chain-Bridge-Design können Probleme im Zusammenhang mit Dezentralisierung und Sicherheit effektiv gelöst werden. Allerdings führt dies aufgrund des großen Schaltungsumfangs auch zu einem rechnerischen Engpass. Da der Fokus auf Interoperabilität weiter zunimmt, glaube ich, dass mehr Entwickler hart daran arbeiten werden, sichere und skalierbare Cross-Chain-Bridge-Technologie zu entwickeln. Es wird erwartet, dass diese Entwicklungen einen positiven Einfluss auf die allgemeine Weiterentwicklung und Anwendung der ZK-Technologie haben werden. Daher können wir in naher Zukunft mit erheblichen Fortschritten in der Forschung, der Umsetzung von Innovationen und einer breiteren Einführung kettenübergreifender Anwendungen rechnen.