كيف حسّن الانتقال من zkEVM إلى zkVM قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين

لقد قطعت تقنية البلوك تشين شوطًا طويلًا منذ ظهور Bitcoin قبل أكثر من عقد من الزمان. ورغم أن شبكات البلوك تشين الأولى كانت رائدة في نهجها اللامركزي، إلا أنها واجهت تحديات كبيرة، لا سيما فيما يتعلق بقابلية التوسع. ومع استمرار توسع تطبيقات البلوك تشين وحالات استخدامها، أصبح إيجاد حلول لمشاكل قابلية التوسع أولوية قصوى.

يُعدّ الانتقال من zkEVM (آلة Ethereum الافتراضية ذات المعرفة الصفرية) إلى zkVM (آلة افتراضية ذات معرفة صفرية) أحد التطورات الواعدة في هذا المجال، إذ يحمل في طياته إمكانية تحسين قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين بشكل جذري. في هذه المقالة، سنتعمق في عالم zkEVM، ونستكشف قيوده، ونفهم كيف سيُسهم التطور إلى zkVM في إحداث تحسينات جوهرية في قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين.

صعود براهين المعرفة الصفرية (ZKPs)

تلعب إثباتات المعرفة الصفرية دورًا محوريًا في حماية خصوصية المستخدمين على الإنترنت، لا سيما مع سعينا الحثيث نحو تبنيها على نطاق واسع في تقنية البلوك تشين. كما أنها تحمل في طياتها وعدًا بحلّ التحديات الحسابية. حاليًا، يوجد مساران رئيسيان لتحقيق ذلك: آلات إيثرنت الافتراضية ذات المعرفة الصفرية (zkEVMs) وآلات إيثرنت الافتراضية ذات المعرفة الصفرية (zkVMs). في هذا البحث، سنتعمق في كلا النهجين، ونوازن بين مزاياهما وعيوبهما. ولكن قبل الخوض في هذا التحليل، من الضروري فهم ما نسعى إلى تحسينه ولماذا تُعدّ الخصوصية بهذه الأهمية.

في مجال التطور التشفيري، كما هو الحال في نظيره البيولوجي، يُوجَّه تطوير السمات بهدف تحقيق نتائج مُحدَّدة. فعلى سبيل المثال، أعطت Bitcoinالأولوية القصوى للأمان، مُدركةً أنَّ العملة الرقمية اللامركزية يجب أن تكون آمنة تمامًا قبل أن تحظى بالقبول والانتشار الواسع. وسلكت Ethereum مسارًا مُشابهًا، مُركِّزةً على الأمان مع إضافة طبقة أخرى: قابلية البرمجة التي تُتيحهاtracالذكية.

تميل هذه التطورات في مجال التشفير إلى البناء على بعضها البعض، حيث يحمل كل منها مجموعة فريدة من المزايا والعيوب. ففي حالة Ethereum، يُطلب من كل عقدة إعادة تنفيذ كل معاملة، مما يُشكّل تحديات حسابية هائلة تُؤدي إلى ارتفاع رسوم الغاز وبطء سرعة المعاملات. وقد اتُخذ قرار إجراء العمليات الحسابية مباشرةً على سلسلة الكتل لتعزيز الأمان والشفافية. إلا أن ذلك يأتي على حساب الأداء والخصوصية.

ظهرت تقنية التجميع (Rollups) كحلٍّ لتعزيز قابلية التوسع من خلال تقليل الأعباء الحسابية المرتبطة بشبكة Ethereum. ورغم أنها تُسهم في تحسين الأداء، إلا أنها لا تُراعي مخاوف الخصوصية. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية، إذ أصبحت الخصوصية شرطًا أساسيًا للتطبيقات التي تسعى إلى توسيع قاعدة مستخدميها. فالمستخدمون يطالبون بشكل متزايد بمزيد من التحكم في بياناتهم، ويتزايد حذرهم من الجهات التي تسعى إلى الوصول غير المقيد إلى معلوماتهم.

أدرك مطورو التطبيقات هذا التوجه المتزايد نحو الخصوصية وضرورتها. ونتيجةً لذلك، سعوا جاهدين لاستكشاف طرق لحماية الخصوصية باستخدام تقنية إثبات المعرفة الصفرية (ZKP). تُمكّن هذه البروتوكولات التشفيرية المستخدمين أو التطبيقات من التحقق من صحة معلومة ما دون الكشف عن أي معلومات إضافية. على سبيل المثال، يمكن لتقنية إثبات المعرفة الصفرية التأكد من أن المستخدم يزيد عمره عن 18 عامًا دون الكشف عن عمره أو تاريخ ميلاده بالتحديد.

كما ورد في تقرير حالة العملات الرقمية لعام 2023 الصادر عن a16z، من المتوقع أن يزداد اعتماد تقنية إثبات المعرفة الصفرية (ZK-proofs) من قبل المطورين. ويعود هذا التوجه إلى ازدياد عدد المنشورات الأكاديمية وارتفاع عدد المعاملات اليومية التي تتضمن التحقق من إثباتات المعرفة الصفرية على شبكة Ethereum . ويُظهر الزخم المتزايد لإثباتات المعرفة الصفرية أهميتها المتنامية في السعي لتحقيق التوازن بين الخصوصية والأمان وقابلية التوسع في مجال تقنية البلوك تشين.

فهم zkVM

أول جانب يحتاج إلى defiهو: ما الذي يشكل الآلة الافتراضية (VM)؟ باختصار، الآلة الافتراضية هي برنامج قادر على تنفيذ برامج أخرى، وعادة ما تعمل كحلقة تكرارية تنفذ مجموعة محددة من التعليمات - تمثل هذه التعليمات "البرنامج الآخر"

تُعدّ آلة Ethereum الافتراضية (EVM) تحديدًا الآلة الافتراضية المسؤولة عن تنفيذtracEthereum الذكية. وقد وُضِّحت المجموعة الأصلية للتعليمات المدعومة وسلوكياتها في عام 2014 ضمن الورقة الصفراء الرائدة - التي تميزت ليس فقط بأهميتها، بل أيضًا بلونها الأصفر المميز - والتي كتبها جافين وود. وتُحدَّث هذه الورقة باستمرار لتعكس مجموعة التعليمات المدعومة الحالية.

من ناحية أخرى، تُعدّ الآلة الافتراضية ذات المعرفة الصفرية (zk VM) آلة افتراضية مُنفّذة كدائرة ضمن نظام إثبات المعرفة الصفرية (zkp). وهذا ما يُميّزها عن أنظمة إثبات المعرفة الصفرية التقليدية التي تُركّز بشكل أساسي على إثبات تنفيذ البرنامج. في الآلات الافتراضية ذات المعرفة الصفرية، يتحوّل التركيز نحو التحقق من تنفيذ الآلة الافتراضية نفسها. ونتيجةً لذلك، يُفرّق البعض بين أنظمة إثبات المعرفة الصفرية غير القائمة على الآلات الافتراضية، فيُصنّفونها كجزء من نهج مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA)، بينما يعتبرون الآلات الافتراضية ذات المعرفة الصفرية مُكوّنات لنهج وحدة المعالجة المركزية (CPU).

في أنظمة zkp، تُعتبر البرامج أو الدوائر كيانات غير قابلة للتغيير، تمامًا مثل الملفات الثنائية المُجمّعة من برامج مُحددة. وبالتالي، تُجسّد دائرة zkVM عددًا مُحددًا مُسبقًا من التكرارات للحلقة، وهو ما يُمكن تشبيهه بفكّ الحلقة. باختصار، zkVM هي دائرة مُصممة لتشغيل آلة افتراضية. يُمكن إدخال تعليمات البرنامج الفعلي كمدخلات عامة لهذه الدائرة، مما يُتيح شفافية كاملة فيما يتعلق بالبرنامج الذي يتم التحقق منه. (توجد طرق مُتعددة لنقل تعليمات البرنامج إلى الآلة الافتراضية في حال رغب المستخدم في استكشاف بدائل أخرى)

ظهرت العديد من مشاريع zkVM، مع ثلاثة مشاريع جديرة بالذكر على الأقل:

1. القاهرة: يتميز هذا المشروع، الذي تستخدمه شركة ستاركنت، بدقة تصميمه، ما يجعله عملاً فنياً. كما يتضمن إطار عمل كيمتشي تطبيقاً تجريبياً يُعرف باسم "تورشي".
2. ميدن: مشروع قيد التطوير ضمن نظام بوليغون البيئي، ويجري تطوير ميدن حاليًا.
3. Risczero: مبادرة أخرى قيد التطوير، تهدف Risczero إلى دعم مجموعة تعليمات RISC-V، وهو معيار معترف به على نطاق واسع يتجاوز مجال سلسلة الكتل.

كل مشروع من هذه المشاريع يستوعب مجموعات تعليمات مختلفة، مما يجعلها غير قابلة للتشغيل المتبادل مع بعضها البعض.

أنواع zkVM

يمكن تصنيف مجال الأجهزة الافتراضية zk إلى نوعين متميزين:

1. الآلات الافتراضية المُحسّنة بتقنية إثبات المعرفة الصفرية: من الأمثلة البارزة على ذلك Cairo وMiden. صُممت هذه الآلات الافتراضية بدقة متناهية لإعطاء الأولوية للكفاءة، مما يجعلها أسرع بكثير. هدفها الأساسي هو تسهيل التكامل السلس مع أنظمة إثبات المعرفة الصفرية، وتبسيط عملية التحقق.
2. الآلات الافتراضية الواقعية: تشمل هذه الفئة آلات افتراضية مثل RiscZero، التي تدعم مجموعة تعليمات RISC-V، والعديد من آلات zkEVM المصممة خصيصًا لآلة Ethereum الافتراضية (EVM). تهدف الآلات الافتراضية الواقعية إلى توفير التوافق مع مجموعات التعليمات والأنظمة البيئية الراسخة خارج نطاق إثباتات المعرفة الصفرية.

يمكن إرجاع الدافع وراء دعم آلة إيثيريوم الافتراضية (EVM) إلى عدة أسباب وجيهة. أولاً، بالنسبة Ethereum نفسها، فهي تُمكّن من إنشاء إثباتات تشمل كامل عملية انتقال الحالة - من حالة النشأة إلى أحدث حالة Ethereum . وتتجلى هذه الإمكانية في مشاريع مثل مينا.

ثانيًا، بالنسبة للمشاريع غير المبنيةEthereum ، يوفر تبني التوافق مع آلة إيثيريوم الافتراضية (EVM) ميزة دمج المشاريع والتطبيقات من منظومة Ethereum بسلاسة، مثل يونيسواب. وهذا لا يُسهّل التوافق بين المشاريع فحسب، بل يُتيح أيضًا فرصةtracمطوري مجتمع Ethereum إلى المشاريع الجديدة.

آلية عمل zkVM

يُقدّم ZkVM، المُستمد من عملنا السابق على TxVM والمتأثر بتصميمات Bitcoin Ethereum ، صيغة معاملات جديدة. في ZkVM، تُمثّل المعاملة كبرنامج يُعالج تدفق الأصول مباشرةً ككائنات من الدرجة الأولى، ويُحدّث حالة سلسلة الكتل عبر سجل المعاملات. يُتيح هذا الفصل بين تطبيق سجل المعاملات والتحقق منه تصميمًا عالي قابلية التوسع، مع توفير بيئة قويةtracالمُخصصة.

لتعزيز قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين وتمكين عمليات نقل القيمةdent، تستخدم ZkVM نموذج UTXO (مخرجات المعاملات غير المنفقة) لتمثيل الأرصدة. تُعبّر جميع الأرصدة عن نفسها كمجموعات من المخرجات غير المنفقة (UTXOs)، والتي يمكن إنشاؤها وتدميرها ومعالجتها ضمن المعاملات. تُخزّن هذه المخرجات بكفاءة كجذور Merkle باستخدام مخطط Utreexo، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات التخزين ويسهل نشرًا أوسع للعُقد التي تُجري التحقق الكامل.

في ZkVM، يُمثل كل مُخرَجtracمُخزَّنًا في حالة سلسلة الكتل، ويحتوي على عناصر متعددة محمية بشرط مُحدَّد - وهو شرط يجب تحقيقه لفتح هذه العناصر. يستخدم ZkVM تصميمًا قائمًا على Taproot، مما يسمح بفتحtracإما من خلال التوقيعات المشفرة أو عن طريق تنفيذ برنامج فرعي مُضمَّن يتحقق من شروط مُخصَّصة.

تُعدّtracفي ZkVM بمثابة لبنات بناء متعددة الاستخدامات لبروتوكولات ذات مستوى أعلى، مثل الحسابات ودفاتر الطلبات وقنوات الدفع. تُمكّن هذه المرونة منصات مثل Stellar من نقل خيارات تصميم البروتوكول بعيدًا عن الطبقة الحساسة للإجماع، مما يُشجع على تجربة مجموعة واسعة من التطبيقات اللامركزية.

فيما يتعلقdent، يحقق ZkVM توازناً باستخدام مخطط Taproot في الشروط. لا يلزم الكشف عن منطقtracإذا تعاونت جميع الأطراف، ولكن يبقى الأمن سليماً حتى في حال عدم تعاونها. حتى عندما يكونtracمنطق العقد ضرورياً، تظل البيانات مثل الأرصدة ومعاملاتtracdentبفضل نظام قيود مُتحقق منه بدون معرفة مسبقة.

تستفيد ZkVM من نظام إثبات المعرفة الصفرية Bulletproofs، حيث تقوم بتشفير القيم والبيانات افتراضيًا باستخدام التزامات Pedersen. يمكن للمستخدمين تحديد تعابير حسابية ومنطقية على القيم السرية، والتي تُحوّلmaticإلى نظام قيود Bulletproofs. تتميز المعاملات بالكفاءة والسرعة، حيث يتراوح حجم المعاملات الصغيرة بين 1 و1.5 كيلوبايت، بينما لا تتجاوز التكلفة الهامشية للمدفوعات المجمعة 200 بايت لكل زوج من المدخلات والمخرجات. عملية التحقق قابلة للتوازي بدرجة عالية، حيث تستغرق حوالي 1 مللي ثانية فقط لكل مخرج. تُمكّن هذه الكفاءة ZkVM من إعطاء الأولوية للأمان دون المساس بتشفير البيانات، مما يضمن عدم الكشف عن البيانات إلا للأطراف المصرح لها فقط وفقًا لمبدأ الحاجة إلى المعرفة. علاوة على ذلك، يُغني إطار عمل Bulletproofs عن الحاجة إلى إعداد موثوق، مما يُتيح إنشاء بروتوكولات جديدة على ZkVM دون الحاجة إلى ترقيات على مستوى الشبكة لكل ميزة.

الحاجة إلى الانتقال من zkEVM إلى zkVM

قيود zkEVM

على الرغم من أن تقنية zkEVM قد أدخلت تحسينات كبيرة، إلا أنها لا تزال تعاني من بعض القيود التي أعاقت إمكاناتها في التوسع:

1. محدودية التوافق: صُممت تقنية zkEVM في الأساس لشبكة Ethereum . هذا يعني أن منصات البلوك تشين الأخرى لم تتمكن من تبني هذه التقنية بسهولة، مما حدّ من تأثيرها الأوسع على نظام البلوك تشين البيئي.
2. التعقيد: تطلّب تطبيق zkEVM فهمًا عميقًا لإثباتات المعرفة الصفرية وعلم التشفير. وقد شكّل هذا التعقيد تحديًا للمطورين لدمج zkEVM في مشاريعهم، مما حدّ من انتشاره.
3. تحديات التخزين والبيانات: لم تعالج تقنية zkEVM مشكلة تخزين البيانات على سلسلة الكتل بشكل فعال. ولا تزال متطلبات تخزين البيانات الضخمة تشكل عائقاً أمام قابلية التوسع.

الانتقال إلى zkVM: طفرة في قابلية التوسع

إدراكًا لقيود zkEVM، انطلق مجتمع البلوك تشين في رحلة لتطوير حل أكثر تنوعًا وقابلية للتوسع، مما أدى إلى ظهور zkVM، أو الآلة الافتراضية ذات المعرفة الصفرية.

تعتمد تقنية zkVM على المبادئ الأساسية لتقنية zkEVM مع معالجة أوجه قصورها. دعونا نستكشف كيف تستعد zkVM لإحداث ثورة في قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين:

1. التوافق عبر المنصات: على عكس zkEVM، صُممت zkVM لتكون مستقلة عن تقنية البلوك تشين. وهذا يعني إمكانية دمجها في شبكات بلوك تشين متنوعة، وليس فقط Ethereum. يتيح هذا التوافق الأوسع لـ zkVM إمكانية إحداث تأثير أكبر على منظومة البلوك تشين بأكملها.
2. تحسين تجربة المستخدم: يهدف zkVM إلى تبسيط عملية التنفيذ للمطورين. من خلال توفير أدوات وواجهات سهلة الاستخدام، يُسهّل zkVM على المطورين الاستفادة من قوة إثباتات المعرفة الصفرية، مما يقلل من عوائق البدء.
3. إدارة البيانات المحسّنة: تعالج تقنية zkVM مشكلة تخزين البيانات بكفاءة أكبر، إذ تُقدّم تقنيات مبتكرة لضغط البيانات وتخزينها، مما يُقلّل من متطلبات التخزين على سلسلة الكتل. ويُؤثّر هذا التحسين إيجابًا بشكل مباشر على قابلية التوسع من خلال تقليل حجم بيانات سلسلة الكتل.
4. معالجة أسرع للمعاملات: بفضل قدرات الحوسبة خارج السلسلة في zkVM، يتم تقليل الحمل الحسابي على شبكة البلوك تشين بشكل أكبر. وهذا يؤدي إلى أوقات معالجة أسرع للمعاملات، ورسوم أقل، وأداء عام أفضل.

ما الذي نسعى إلى تحسينه؟

شرعت شركة لوكهيد مارتن في مهمة طموحة لتطوير طائرة إف-35، متصورةً إياها طائرة مقاتلة متعددة الاستخدامات قادرة على استبدال الطائرات المقاتلة المتخصصة في القتال الجوي والقتال الأرضي. إلا أن هذا المسعى واجه انتكاسات كبيرة، إذ تأخر عن الجدول الزمني المحدد له لعقد من الزمن، واكتسب سمعة سيئة بين خبراء الصناعة كواحدة من أقل الطائرات المقاتلة نجاحًا على الإطلاق.

إن أهم ما يمكن استخلاصه من هذه التجربة هو أنه عندما يتم تصميم نظام ما مع وضع غرض محدد في الاعتبار، فإنه غالباً ما يتفوق في أداء هذا الدور المحدد مقارنة بحل يحاول تحقيق أهداف متعددة في وقت واحد.

على غرار عالم البلوك تشين، صُممت Ethereum في البداية كمنصة عامة وشفافة بالكامل. إذا حاولنا إدخال ميزات الخصوصية في بلوك تشين كهذا، فمن غير المرجح أن نحقق نفس مستوى الأداء الذي يحققه نظام مصمم مع وضع الخصوصية كمبدأ أساسي منذ البداية. يطرح هذا الأمر تحديات هندسية، إذ يتعين على المطورين تكييف برامج لم تكن مصممة أصلاً للعمل ضمن هذا السياق، مما يؤدي إلى إنشاء دوائر معقدة وغير عملية.

مع ذلك، يتضمن النهج البديل تطوير طبقة تطبيق مصممة خصيصًا لحماية الخصوصية. يتيح هذا النهج تحسين وظائف الخصوصية مع الاستفادة من مزايا إثباتات المعرفة الصفرية، وهو موضوع سنتناوله بالتفصيل في القسم التالي.

تطبيقات عملية لـ zkVM و zkEVM

تجد كل من zkEVM و zkVM تطبيقات في مجالات متنوعة، مما يبشر بإعادة تشكيل الصناعات وحالات استخدام تقنية البلوك تشين:

• DeFi ثورة: يمكن لمنصات التمويل اللامركزي (DeFi) الاستفادة من zkVM و zkEVM لتعزيز سرعة المعاملات، وتقليل الرسوم، وحماية البيانات المالية الحساسة.
• تحويل سلسلة التوريد: تحسين الشفافية وإمكانية tracفي سلاسل التوريد ممكن باستخدام zkVM و zkEVM، مما يقلل من الاحتيال ويزيد من الكفاءة.
• أمن بيانات الرعاية الصحية: يمكن لـ zkEVM و zkVM ضمان خصوصية وأمان بيانات الرعاية الصحية، مما يتيح مشاركة المعلومات بشكل آمن بين الأطراف المصرح لها.
• الألعاب والرموز غير القابلة للاستبدال: يمكن لصناعة الألعاب وأسواق الرموز غير القابلة للاستبدال (NFT) الاستفادة من المعاملات الأسرع ومعالجة البيانات الآمنة التي توفرها zkVM و zkEVM.

مستقبل قابلية التوسع في تقنية zkVM وتقنية البلوك تشين

مع tracشعبية تقنية zkVM في مجال البلوك تشين، فإنها تحمل في طياتها إمكانية معالجة مشكلات قابلية التوسع المزمنة التي حدّت من تبني هذه التقنية ونموها. ومع ذلك، وكأي تقنية ناشئة، توجد تحديات يجب التغلب عليها واعتبارات يجب مراعاتها

1. عقبات التبني: على الرغم من أن توافق zkVM مع مختلف سلاسل الكتل يمثل ميزة كبيرة، إلا أن التبني الواسع النطاق سيظل يعتمد على استعداد مشاريع سلسلة الكتل لدمج هذه التقنية في شبكاتها.
2. المخاوف الأمنية: تُدخل براهين المعرفة الصفرية تقنيات تشفير معقدة، وأي ثغرات أمنية فيها قد تُشكل مخاطر أمنية جسيمة. لذا، يُعد التدقيق المستمر وتحسين تطبيقات zkVM أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على ثقة المستخدمين.
3. المشهد التنظيمي: مع تطور تقنية البلوك تشين، ستستمر في الخضوع للتدقيق التنظيمي. ويبقى أن نرى كيف سيتعامل المنظمون مع إثباتات المعرفة الصفرية وتطبيقاتها، الأمر الذي قد يؤثر على اعتماد zkVM في المستقبل.

خاتمة

يمثل الانتقال من zkEVM إلى zkVM خطوةً هامةً نحو الأمام في مواجهة تحديات قابلية التوسع في تقنية البلوك تشين. فبينما مهدت zkEVM الطريق، تقدم zkVM حلاً أكثر تنوعاً وقابليةً للتوسع، ما يُمكّنها من إحداث ثورة في كيفية استخدام تقنية البلوك تشين في مختلف القطاعات.

لا يخلو الانتقال إلى zkVM من التحديات، لكن مزاياه من حيث التوافق عبر المنصات، وسهولة الاستخدام، وإدارة البيانات، وسرعة معالجة المعاملات، تجعله نقلة نوعية في مجال تقنية البلوك تشين. ومع استمرار تطور zkVM وترسيخ مكانته في بيئات البلوك تشين، نتوقع ظهور تطبيقات بلوك تشين أكثر قابلية للتوسع وكفاءة، قادرة على إحداث تحول جذري في مختلف القطاعات وتحسين حياة الناس حول العالم.