W szybko rozwijającej się dziedzinie technologii blockchain zaproponowano i wdrożono wiele protokołów, jednak każdy protokół przyjmuje inną metodę konsensusu – od obliczeniowego dowodu pracy po oparty na motywacjach dowód stawki itp. Od początków blockchain płynność i aktywa były stopniowo rozproszone pomiędzy różnymi łańcuchami ze względu na różnice w protokołach w różnych aspektach, takich jak konsensus, bezpieczeństwo i języki programowania. Rozwiązaniem tego problemu są mosty międzyłańcuchowe, redukujące fragmentację i integrujące płynność pomiędzy różnymi łańcuchami bloków. Jednym z takich protokołów mostów międzyłańcuchowych jest Wormhole, który ułatwia przepływ kryptowalut i niewymiennych tokenów (NFT) pomiędzy różnymi łańcuchami bloków inteligentnych kontraktów, takimi jak Solana i Ethereum.
Aktualne ryzyko mostów krzyżowo-łańcuchowych
Mosty krzyżowo-łańcuchowe mogą być dość trudne. Zapewnienie bezpieczeństwa mostu międzyłańcuchowego stanowi ważne wyzwanie, ponieważ aktywa przechowywane w inteligentnych kontraktach lub centralnych depozytariuszach muszą być chronione. Ponieważ fundusze mostu są przechowywane centralnie, od dawna był on celem hakerów. Ewoluująca konstrukcja mostów zapewnia również atakującym możliwość znalezienia nowych luk w zabezpieczeniach i exploitów. W 2022 roku Wormhole został zhakowany po przesłaniu poprawki bezpieczeństwa do Github, co spowodowało stratę 325 milionów dolarów. Hakerowi udało się i odebrał środki. Chainalytic podaje, że ataki na mosty międzyłańcuchowe stanowiły 69% wszystkich skradzionych środków w 2022 r.
Kolejnym wyzwaniem, przed którym stanęło, były słabe wyniki i zależność od podmiotów centralnych. Obecne mosty międzyłańcuchowe borykają się z problemami ze skalowalnością. Aby zaktualizować i dostosować stan obu łańcuchów, mosty międzyłańcuchowe wymagają dużej mocy obliczeniowej i pojemności pamięci, co powoduje znaczny narzut. Aby złagodzić to obciążenie, niektóre mosty międzyłańcuchowe przeszły na podejście w stylu komitetu, w którym tylko ograniczona grupa walidatorów (lub nawet tylko posiadacze multisigów) zatwierdza transfery stanu. Jednak takie podejście naraża je na luki w zabezpieczeniach i potencjalne ataki.
To właśnie te problemy skłoniły programistów do rozpoczęcia poszukiwania alternatywnych rozwiązań, zwłaszcza tych, które wykorzystują kryptografię o wiedzy zerowej. Wśród tych podejść wykorzystanie technologii zk-SNARKs eliminuje potrzebę stosowania modelu komitetowego, zapewniając jednocześnie skalowalność sieci.
Most krzyżowo-łańcuchowy oparty na technologii ZK-SNARKs
Obecnie istnieje kilka projektów opracowujących rozwiązania pomostowe w technologii ZK w różnych ekosystemach i na różnych etapach rozwoju, takich jak:
Laboratoria Succinct
zkIBC przez Electron Labs
zkBridge przez Polyhedra Network
Inicjatywy te wykorzystują technologię zk-SNARKS do zrewolucjonizowania projektowania mostów krzyżowo-łańcuchowych. Jednakże, aby pomyślnie wdrożyć wszystkie te podejścia, kluczowym wymaganiem jest lekki protokół klienta – oprogramowanie, które łączy się z pełnymi węzłami i ułatwia interakcję z blockchainem. Protokół ten zapewnia, że węzły mogą skutecznie synchronizować nagłówki bloków z potwierdzonym statusem łańcucha bloków.
Podczas stosowania technologii zk-SNARKs w mostach krzyżowo-łańcuchowych pojawiają się dwa główne wyzwania. Po pierwsze, mosty międzyłańcuchowe wymagają większej skali obwodu niż pakiety zbiorcze. Po drugie, należy rozwiązać problem minimalizacji pamięci masowej w łańcuchu i narzutów obliczeniowych.
Laboratoria Succinct
Succinct Labs opracowuje lekkiego klienta dla konsensusu PoS (dowód stawki) Ethereum 2.0, tworząc most międzyłańcuchowy o zminimalizowanym zaufaniu pomiędzy Gnosis i Ethereum. Ten most międzyłańcuchowy wykorzystuje wydajność zk-SNARKS do zwięzłej weryfikacji dowodów ważności konsensusu w łańcuchu.
Konfiguracja obejmuje zsynchronizowany komitet składający się z 512 walidatorów, którzy są wybierani losowo co 27 godzin. Ci walidatorzy są odpowiedzialni za podpisanie każdego nagłówka bloku w wyznaczonym im okresie. Stan Ethereum uznaje się za ważny, jeśli więcej niż ⅔ jego walidatorów podpisze każdy nagłówek bloku. Proces weryfikacji obejmuje głównie weryfikację:
1. Merkle dowód nagłówka bloku
2. Merkle dowód walidatorów w komitecie synchronizacyjnym
3. Podpis BLS zapewniający prawidłową rotację komitetów synchronizacyjnych
Proces ten wiąże się ze znacznymi kosztami obliczeniowymi, ponieważ podstawowa koncepcja polega na tym, że lekki klient wykorzystuje zk-SNARK (Groth16) do tworzenia dowodu o stałym rozmiarze (dowód ważności), który można skutecznie zweryfikować w łańcuchu Gnosis. Dowód generowany jest poprzez obliczenia poza łańcuchem, które polegają na zbudowaniu obwodu weryfikującego walidator i jego podpis, a następnie wygenerowaniu dowodu zk-SNARK. Dowód i nagłówek bloku są następnie przesyłane do inteligentnego kontraktu w łańcuchu Gnosis w celu weryfikacji.
Zastosowanie zk-SNARK pomaga zmniejszyć obciążenie pamięci masowej i złożoność obwodów, zmniejszając w ten sposób założenia dotyczące zaufania. Niemniej jednak to podejście jest zoptymalizowane specjalnie pod kątem protokołu konsensusu Ethereum 2.0 i EVM i może wymagać większej zdolności adaptacyjnej, aby można było zastosować je w innych sieciach blockchain.
Właśnie w lipcu tego roku firma Succinct Labs wydała ważne oświadczenie, potwierdzając, że jego lekki klient Ethereum ZK został oficjalnie zintegrowany z siecią główną w celu zwiększenia bezpieczeństwa Gnosis Omnibridge. Dzięki tej integracji Succinct Labs zabezpieczy Gnosis Omnibridge, którego całkowita zablokowana wartość (TVL) wynosi obecnie ponad 40 milionów dolarów i jak dotąd umożliwiła przepływ aktywów o wartości ponad 1,5 miliarda dolarów w postaci stabilnych monet.
zkIBC przez Electron Labs
Electron Labs buduje most międzyłańcuchowy wywodzący się z ekosystemu Cosmos SDK, platformy dla łańcuchów bloków specyficznych dla aplikacji. Jego most międzyłańcuchowy będzie wykorzystywał technologię IBC (Inter-Chain Communication), aby umożliwić płynną komunikację pomiędzy wszystkimi niezależnymi łańcuchami bloków zdefiniowanymi w ramach platformy.
Jednak wdrożenie lekkiego klienta pakietu Cosmos SDK w Ethereum jest obarczone trudnościami. Klient lekki Tendermint używany przez pakiet Cosmos SDK działa na krzywej Twisted Edwards Curve (Ed25519), która jest krzywą, której łańcuch bloków Ethereum nie obsługuje natywnie. Dlatego weryfikacja podpisów Ed25519 na krzywej BN254 Ethereum jest kosztowna i nieefektywna. Aby pokonać tę przeszkodę, Electron Labs opracowuje rozwiązanie oparte na technologii zk-SNARKs. System ten wygeneruje dowód ważności podpisu poza łańcuchem i zweryfikuje dowód jedynie w łańcuchu Ethereum, skutecznie rozwiązując ten problem.
Przyjmując takie podejście, podpisy Ed25519 w Cosmos SDK można skutecznie i ekonomicznie weryfikować na blockchainie Ethereum, unikając jednocześnie wprowadzania jakichkolwiek dodatkowych założeń dotyczących zaufania. Jednym z potencjalnych problemów, z jakimi może się zmierzyć to podejście, są opóźnienia. Szybkość generowania bloków w Cosmos SDK wynosi 7 sekund. Aby utrzymać tę szybkość, czas sprawdzania musi zostać znacznie skrócony. Electron Labs zamierza rozwiązać ten problem, wykorzystując wiele komputerów do jednoczesnego generowania dowodów, a następnie łączenia ich w jeden dowód zk-SNARK.
zkBridge przez Polyhedra Network
W porównaniu do dwóch pozostałych wiodących w branży konstrukcji mostów krzyżowo-łańcuchowych opartych na dowodach wiedzy zerowej, zkBridge wyróżnia się elastyczną i różnorodną strukturą, która ułatwia rozwój wielu aplikacji na jego platformie. Skutecznie wykorzystuje zk-SNARK do ustanowienia wydajnego procesu komunikacji, umożliwiając weryfikatorowi przekonanie łańcucha odbiorczego, że w łańcuchu nadawczym nastąpiła określona zmiana stanu. Framework zkBridge składa się z dwóch kluczowych komponentów:
Sieć przekaźnika nagłówka bloku: ten komponent uzyskuje nagłówek bloku z łańcucha wysyłającego, generuje dowód w celu sprawdzenia poprawności nagłówka bloku, a następnie przesyła zarówno nagłówek bloku, jak i dowód do kontraktu aktualizacji w łańcuchu odbierającym.
Aktualizuj umowę: ta część utrzymuje lekki stan klienta i automatycznie włącza go do nagłówka bloku łańcucha wysyłającego po zweryfikowaniu dowodu skojarzenia. Ponadto aktualizuje również aktualny status głównego łańcucha łańcucha wysyłającego.
Główna różnica między zkBridge a innymi wiodącymi w branży podejściami polega na tym, że zkBridge wymaga jedynie obecności uczciwego węzła w sieci przekaźnikowej i zakłada niezawodność zk-SNARK.
Kluczowym postępem w tej kompilacji jest równoległe wykorzystanie zk-SNARK: dowódcy Virgo (deVirgo), który wprowadza nowatorski system rozproszonego dowodu, aby przyspieszyć proces generowania dowodu i wykorzystuje dowody rekurencyjne w celu zmniejszenia kosztów weryfikacji dowodu w łańcuchu. deVirgo opiera się na protokole GKR i schemacie zobowiązań wielomianowych do generowania dowodów dla obwodów weryfikujących wielokrotne podpisy. Dowód deVirgo jest następnie kompresowany za pomocą narzędzia Groth16 i weryfikowany przez umowę aktualizacyjną na docelowym łańcuchu bloków. Połączenie tych systemów sprawdzających umożliwia zkBridge umożliwienie wydajnej komunikacji między łańcuchami bez polegania na zewnętrznych założeniach zaufania.
Wersja Alpha sieci głównej zkBridge została wydana w kwietniu 2023 r. i obecnie ułatwia interoperacyjność między łańcuchami pomiędzy kilkoma sieciami blockchain L1 i L2, takimi jak BNB Chain, Ethereum i Arbitrum. W przemówieniu podczas wydarzenia ETHCC Paris zkDAY 2023 dyrektor techniczny Polyhedra Network, Tiancheng Xie, podkreślił, że od uruchomienia sieci głównej protokół przyciąga ponad 50 000 aktywnych użytkowników dziennie i 800 000 aktywnych użytkowników miesięcznie.
Dzięki swojej modułowej architekturze zkBridge otwiera ogromne możliwości dla programistów i użytkowników. Możliwości te obejmują mostkowanie i wymianę tokenów, przesyłanie komunikatów i logikę obliczeniową, która dostosowuje się do zmian stanu między różnymi sieciami blockchain.
Streszczać
Włączenie technologii zk-SNARKs do projektowania mostów międzyłańcuchowych może skutecznie rozwiązać problemy związane z decentralizacją i bezpieczeństwem. Jednakże stwarza to również wąskie gardło obliczeniowe ze względu na dużą skalę obwodu. Uważam, że w miarę jak coraz większy nacisk kładzie się na interoperacyjność, coraz więcej programistów będzie ciężko pracować nad opracowaniem bezpiecznej i skalowalnej technologii mostów międzyłańcuchowych. Oczekuje się, że zmiany te będą miały pozytywny wpływ na ogólny rozwój i zastosowanie technologii ZK. Dlatego w najbliższej przyszłości możemy spodziewać się znacznego postępu w badaniach, wdrażaniu innowacji i szerszym przyjęciu aplikacji międzyłańcuchowych.