كيف أدى التحول من zkEVM إلى zkVM بتحسين قابلية توسع البلوكشين

قطعت تقنية البلوكشين شوطاً طويلاً منذ ظهور البيتكوين قبل أكثر من عقد من الزمان. وعلى الرغم من أن شبكات البلوكشين الأولية كانت رائدة في نهجها اللامركزي، إلا أنها واجهت تحديات كبيرة، لا سيما فيما يتعلق بقابلية التوسع. ومع استمرار توسع تطبيقات البلوكشين ومجالات استخدامها، أصبح إيجاد حلول لمشكلات قابلية التوسع أولوية قصوى.

يُعد الانتقال من zkEVM (آلة إيثريوم الافتراضية ذات المعرفة الصفرية) إلى zkVM (آلة افتراضية ذات معرفة صفرية) أحد التطورات الواعدة في هذا المجال، حيث يحمل إمكانية تعزيز قابلية توسع البلوكشين بشكل كبير. في هذه المقالة، سنغوص في عالم zkEVM، ونستكشف قيوده، ونتفهم كيف أن التطور نحو zkVM سيُحدث تحسينات جوهرية في قابلية توسع البلوكشين.

صعود البراهين ذات المعرفة الصفرية (ZKPs)

تلعب البراهين ذات المعرفة الصفرية دوراً محورياً في حماية خصوصية المستخدمين على الإنترنت، لا سيما مع سعينا نحو اعتماد واسع النطاق على البلوكشين. كما أنها تعد بحل التحديات الحسابية. حالياً، هناك مساران بارزان لتحقيق ذلك: zkEVMs وzkVMs. في هذا الاستكشاف، سنغوص في كلا النهجين، ووزن مزاياها وعيوبها. ومع ذلك، قبل الغوص في هذا التحليل، من الضروري فهم ما نحاول تحسينه ولماذا تحتفظ الخصوصية بأهمية كبيرة.

في مجال التطور التشفيري، وعلى غرار نظيره البيولوجي، يتم توجيه تطور السمات نحو هدف تحسين النتائج المحددة. فمثلاً، أعطى البيترون الأولوية للأمان فوق كل شيء، مدركاً أن العملة الرقمية اللامركزية يجب أن تكون آمنة بشكل لا لبس فيه قبل أن تحظى بالقبول والاعتماد الواسع. وسارت إيثريوم على درب مشابه، مع التركيز على الأمان مع إدخال طبقة إضافية: وهي البرمجة التي توفرها العقود الذكية.

تميل هذه التكرارات في التطور التشفيري إلى البناء على بعضها البعض، حيث يجلب كل منها مجموعة فريدة من المقايضات. في حالة إيثريوم، يُطلب من كل عقدة إعادة تنفيذ كل معاملة، مما يطرح تحديات حسابية هائلة تؤدي إلى رسوم غاز عالية وسرعات معاملات بطيئة. تم اتخاذ قرار إجراء الحسابات مباشرة على البلوكشين لتعزيز الأمان والشفافية. ومع ذلك، يأتي ذلك بتكلفة: أداء وخصوصية متضررين.

ظهرت حلول Rollups كحل لتعزيز قابلية التوسع من خلال تقليل الأعباء الحسابية المرتبطة بإيثريوم. وعلى الرغم من أنها تبدأ في معالجة مشكلة الأداء، إلا أنها لا تأخذ في الاعتبار مخاوف الخصوصية. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الخصوصية أصبحت شرطاً مسبقاً للتطبيقات التي تهدف إلى توسيع قاعدة مستخدمِيها. يطالب المستخدمون بشكل متزايد بمزيد من التحكم في بياناتهم ويصبحون حذرين من الكيانات التي تسعى للوصول غير المقيد إلى معلوماتهم.

أدرك مطورو التطبيقات هذا الاتجاه المتزايد نحو الخصوصية وضرورتها. ونتيجة لذلك، كانوا يستكشفون بنشاط طرقاً لحماية الخصوصية من خلال استخدام البراهين ذات المعرفة الصفرية (ZKPs). تتيح هذه البروتوكولات التشفيرية للمستخدمين أو التطبيقات التحقق من صحة بيان دون الإفصاح عن أي معلومات إضافية. على سبيل المثال، يمكن لـ ZKPs تأكيد أن المستخدم يبلغ من العمر أكثر من 18 عاماً دون الكشف عن عمره الدقيق أو تاريخ ميلاده.

وكما تم تسليط الضوء عليه في تقرير a16z لعام 2023 حول حالة الكريبتو، من المتوقع أن يزداد اعتماد المطورين على تقنية إثبات المعرفة الصفرية (ZK-proof). يُعزى هذا الاتجاه إلى الارتفاع الحاد في المنشورات الأكاديمية وعدد المعاملات اليومية المتزايدة التي تتضمن التحقق من إثباتات المعرفة الصفرية على شبكة إيثريوم. يُظهر الزخم وراء البراهين ذات المعرفة الصفرية أهميتها المتزايدة في السعي لتحقيق التوازن بين الخصوصية والأمان وقابلية التوسع في مجال البلوكشين.

فهم الآلة الافتراضية zkVM

الجانب الأول الذي يحتاج إلى تعريف هو: ما الذي يشكل آلة افتراضية (VM)؟ باختصار، الآلة الافتراضية هي برنامج برمجي قادر على تنفيذ برامج أخرى، وعادةً ما تعمل كحلقة تكرارية تنفذ مجموعة محددة من التعليمات البرمجية—وهذه التعليمات تمثل "البرنامج الآخر".

تخدم الآلة الافتراضية للإيثريوم (EVM) على وجه التحديد كآلة افتراضية مسؤولة عن تنفيذ العقود الذكية على الإيثريوم. تم outlining التجميع الأصلي للتعليمات المدعومة وسلوكياتها المقابلة في عام 2014 ضمن الورقة الصفراء الأصلية—التي تميزت ليس فقط بأهميتها ولكن أيضاً بلونها الأصفر المميز—والتي كتبها غافين وود. تحافظ الورقة على حالة من التحديثات المستمرة، بهدف عكس مجموعة التعليمات المدعومة الحالية.

آلة zkVM الافتراضية (zk VM)، من ناحية أخرى، هي في الأساس آلة افتراضية مُنفذة كدائرة ضمن نظام إثبات المعرفة الصفرية (zkp). وهذا يميزها عن أنظمة zkp التقليدية التي تركز بشكل رئيسي على إثبات تنفيذ البرنامج. في zkVMs، ينصب التركيز على التحقق من تنفيذ الآلة الافتراضية نفسها. ونتيجة لذلك، يرسم بعض الأشخاص تمييزاً، مصنّفين zkp غير VMs كجزء من نهج FPGA (مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانياً)، بينما يعتبرون zkVMs مكونات لنهج CPU (وحدة المعالجة المركزية).

ضمن أنظمة zkp، البرامج أو الدوائر هي كيانات غير قابلة للتغيير، تماماً مثل الثنائيات (binaries) المُجمَّعة من برامج محددة. ونتيجة لذلك، تمثل دائرة zkVM فعلياً عدداً محدداً مسبقاً من التكرارات للحلقة، والتي يمكن تشبيهها بـ "فك" الحلقة. باختصار، zkVM هي دائرة مصممة لتنفيذ آلة افتراضية. يمكن إدخال تعليمات البرنامج الفعلي كإدخال عام لهذه الدائرة، مما يتيح شفافية كاملة بشأن البرنامج الذي يتم التحقق منه. (توجد طرق مختلفة لنقل تعليمات البرنامج إلى VM إذا رغبت في استكشاف بدائل أخرى).

ظهرت عدة مشاريع zkVM، مع وجود ثلاثة جهود جديرة بالذكر على الأقل:

1. Cairo: تستخدمها Starknet، هذا المشروع جدير بالملاحظة لورقته الدقيقة، والتي تُعتبر عملاً فنياً. كما يتم تضمين تنفيذ تجريبي يُعرف بـ "turshi" في إطار عمل Kimchi.
2. Miden: مشروع قيد التقدم ضمن نظام Polygon البيئي، Miden قيد التطوير حالياً.
3. Risczero: مبادرة أخرى قيد التنفيذ، تهدف Risczero إلى دعم مجموعة تعليمات RISC-V، وهي معيار معترف به على نطاق واسع خارج مجال البلوكشين.

تتوافق كل من هذه المشاريع مع مجموعات تعليمات مميزة، مما يجعلها غير متوافقة مع بعضها البعض.

أنواع zkVM

يمكن تصنيف مجال zk VMs إلى نوعين متميزين:

1. آلات zkVM المُحسَّنة: تشمل أمثلة بارزة Cairo و Miden. تم تصميم هذه الآلات الافتراضية بعناية لتعطي الأولوية للكفاءة، مما يجعلها أسرع بشكل ملحوظ. هدفها الرئيسي هو تسهيل التكامل السلس مع أنظمة إثبات المعرفة الصفرية (zkp)، مما يبسط عملية التحقق.
2. آلات VM الواقعية: تشمل هذه الفئة آلات VM مثل RiscZero، التي تدعم مجموعة تعليمات RISC-V، ومختلف zkEVMs المصممة خصيصاً للآلة الافتراضية للإيثريوم (EVM). تُصمم آلات VM الواقعية لتوفير التوافق مع مجموعات التعليمات والنظم البيئية الراسخة خارج نطاق إثباتات المعرفة الصفرية.

يعزى الدافع وراء دعم EVM إلى عدة أسباب مقنعة. أولاً، بالنسبة للإيثريوم نفسها، يتيح ذلك إنشاء إثباتات تشمل انتقال الحالة بالكامل—من حالة التأسيس إلى أحدث حالة للإيثريوم. يتم تجسيد هذه القدرة من خلال مشاريع مثل Mina.

ثانياً، بالنسبة للمشاريع غير الإيثريوم، يوفر اعتماد التوافق مع EVM ميزة دمج المشاريع والتطبيقات من نظام الإيثريوم البيئي بسلاسة، مثل Uniswap. لا يسهل هذا التبادل التشغيلي فحسب، بل يقدم أيضاً فرصة لجذب المطورين من مجتمع الإيثريوم إلى مشاريع جديدة.

آلية عمل zkVM

تنشأ ZkVM من عملنا السابق على TxVM وتتأثر بتصاميم Bitcoin وEthereum، حيث تقدم تنسيق معاملات مبتكر. في ZkVM، يتم تمثيل المعاملة كبرنامج يتلاعب مباشرة بتدفق الأصول ككيانات من الدرجة الأولى، محدثاً حالة البلوكشين عبر سجل المعاملات. يسمح هذا الفصل بين تطبيق سجل المعاملات والتحقق من صحتها بتصميم قابل للتوسع للغاية بينما يوفر بيئة قوية للعقود المخصصة.

لتعزيز قابلية توسع البلوكشين وتمكين نقل القيم السرية، تستخدم ZkVM نموذج UTXO (المخرجات غير المنفقة للمعاملة) لتمثيل الأرصدة. يتم التعبير عن جميع الأرصدة كمجموعات من المخرجات غير المنفقة (UTXOs)، والتي يمكن إنشاؤها وتدميرها والتلاعب بها داخل المعاملات. يتم تخزين هذه UTXOs بكفاءة كجذور Merkle باستخدام مخطط Utreexo، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات التخزين ويسهل النشر الأوسع للعقد التي تحقق التحقق الكامل.

في ZkVM، كل مخرج هو عقد مخزنة في حالة البلوكشين، تحتوي على عناصر متعددة محمية بـ شرط (predicate)—وهو شرط يجب استيفاؤه لفتح هذه العناصر. تستخدم ZkVM تصميماً قائماً على Taproot، مما يسمح بفتح العقود إما من خلال التوقيعات المشفرة أو عن طريق تنفيذ برنامج فرعي مدمج يتحقق من الشروط المخصصة.

تخدم العقود في ZkVM ككتل بناء متعددة الاستخدامات للبروتوكولات ذات المستوى الأعلى مثل الحسابات، وسجلات الطلبات، وقنوات الدفع. يتيح هذا المرونة لمنصات مثل Stellar نقل خيارات تصميم البروتوكول بعيداً عن طبقة الإجماع الحرجة، مما يعزز التجريب مع مجموعة واسعة من التطبيقات اللامركزية.

بالنسبة للخصوصية، تضرب ZkVM عصفورين بحجر باستخدام مخطط Taproot في الشروط. لا يلزم الكشف عن منطق العقد إذا تعاون جميع الأطراف، لكن الأمان يظل سليماً إذا لم يتعاونوا. حتى عندما يجب الكشف عن منطق العقد، تظل البيانات مثل الأرصدة ومعلمات العقد سرية بسبب نظام قيد مُتحقق منه باستخدام المعرفة الصفرية.

تستفيد ZkVM من نظام إثبات المعرفة الصفرية Bulletproofs، مشفرة القيم والبيانات بشكل افتراضي كالتزامات Pedersen. يمكن للمستخدمين تحديد التعبيرات الحسابية والمنطقية فوق القيم السرية، والتي يتم تحويلها تلقائياً إلى نظام قيد Bulletproofs. المعاملات صغيرة وفعالة، حيث تتراوح المعاملات الصغيرة بين 1 إلى 1.5 كيلوبايت في الحجم، وتكبد المدفوعات المجمعة تكلفة هامشية تبلغ 200 بايت فقط لكل زوج إدخال-إخراج. التحقق قابل للتوازي العالي، ويستغرق حوالي 1 مللي ثانية فقط لكل مخرج. يسمح هذا الكفاءة لـ ZkVM بإعطاء الأولوية للأمان دون المساس بتشفير البيانات، مما يضمن الكشف عن البيانات فقط للأطراف المصرح لها حسب الحاجة. علاوة على ذلك، يلغي إطار عمل Bulletproofs الحاجة إلى إعداد موثوق، مما يتيح إنشاء بروتوكولات جديدة فوق ZkVM دون الحاجة إلى ترقية الشبكة بالكامل لكل ميزة.

الحاجة للانتقال من zkEVM إلى zkVM

قيود zkEVM

بينما أدخلت zkEVM تحسينات كبيرة، لا تزال لديها بعض القيود التي عرقلت إمكاناتها في قابلية التوسع:

1. التوافق المحدود: صُممت zkEVM في المقام الأول لشبكة الإيثريوم. هذا يعني أن منصات البلوكشين الأخرى لم تتمكن من تبني التكنولوجيا بسهولة، مما حد من تأثيرها الأوسع على نظام البلوكشين البيئي.
2. التعقيد: تطلب تنفيذ zkEVM فهماً عميقاً لإثباتات المعرفة الصفرية والتشفير. جعل هذا التعقيد من الصعب على المطورين دمج zkEVM في مشاريعهم، مما حد أكثر من تبنيها.
3. تحديات التخزين والبيانات: لم تعالج zkEVM مشكلة تخزين البيانات على البلوكشين بفعالية. ظلت متطلبات تخزين البيانات الكبيرة عنق زجاجة أمام قابلية التوسع.

الانتقال إلى zkVM: اختراق في قابلية التوسع

إدراكاً لقيود zkEVM، انطلقت مجتمع البلوكشين في رحلة لتطوير حل أكثر مرونة وقابلية للتوسع، مما أدى إلى ولادة zkVM، أو الآلة الافتراضية ذات المعرفة الصفرية.

تبني zkVM المبادئ الأساسية لـ zkEVM مع معالجة نقاط ضعفها. دعونا نستكشف كيف أن zkVM مستعدة لإحداث ثورة في قابلية توسع البلوكشين:

1. التوافق عبر المنصات: على عكس zkEVM، صُممت zkVM لتكون مستقلة عن البلوكشين. هذا يعني أنه يمكن دمجها في شبكات بلوكشين متنوعة، وليس فقط الإيثريوم. يفتح هذا التوافق الأوسع الباب أمام zkVM ليكون لها تأثير أكبر على نظام البلوكشين البيئي بأكمله.
2. تحسين تجربة المستخدم: تهدف zkVM إلى تبسيط عملية التنفيذ للمطورين. من خلال تقديم أدوات وواجهات سهلة الاستخدام، تجعل zkVM من السهل على المطورين الاستفادة من قوة إثباتات المعرفة الصفرية، مما يقلل من حاجز الدخول.
3. إدارة البيانات المحسنة: تعالج zkVM مشكلة تخزين البيانات بفعالية أكبر. تقدم تقنيات مبتكرة لضغط البيانات وتخزينها، مما يقلل من متطلبات التخزين على البلوكشين. هذا التحسين له تأثير إيجابي مباشر على قابلية التوسع من خلال تقليل حجم بيانات البلوكشين.
4. معالجة المعاملات الأسرع: مع قدرات الحساب خارج السلسلة في zkVM، يتم تقليل العبء الحسابي على شبكة البلوكشين بشكل أكبر. هذا يؤدي إلى أوقات معالجة معاملات أسرع، ورسوم أقل، وأداء عام محسن.

ماذا نحسن من أجله؟

شرعت شركة Lockheed Martin في المهمة الطموقة لإنشاء F-35، متخيلة إياه كطائرة مقاتلة متعددة الاستخدامات قادرة على استبدال المقاتلات المتخصصة للهواء-الهواء والهواء-الأرض. ومع ذلك، واجهت هذه المحاولة انتكاسات كبيرة، متخلفة عن جدولها الزمني المقصود بعقد من الزمن، واكتسبت سمعة بين خبراء الصناعة كأحد أقل الطائرات المقاتلة نجاحاً على الإطلاق.

الخلاصة الرئيسية من هذه التجربة هي أنه عندما يتم هندسة نظام بهدف محدد في الاعتبار، فإنه غالباً ما يتفوق في الوفاء بهذا الدور المحدد مقارنة بحل يحاول تحسين عدة أهداف في وقت واحد.

استخلاص تشابه مع مجال البلوكشين، تم تصميم الإيثريوم في البداية كمنصة عامة وشفافة بالكامل. إذا حاول المرء إدخال ميزات الخصوصية في مثل هذا البلوكشين، فمن غير المرجح أن يحقق نفس مستوى الأداء كنظام صُمم مع الخصوصية كمبدأ أساسي منذ البداية. هذا يطرح تحديات هندسية، حيث يجب على المطورين تكييف البرامج التي لم تُصمم أصلاً للعمل في هذا السياق، مما يؤدي إلى إنشاء دوائر معقدة وثقيلة.

ومع ذلك، تتضمن النهج البديل تطوير طبقة تطبيق مصممة خصيصاً للخصوصية. يسمح هذا النهج بتحسين الوظائف المتعلقة بالخصوصية مع جني الفوائد التي تقدمها إثباتات المعرفة الصفرية، وهو موضوع سنغوص فيه في القسم التالي.

التطبيقات الواقعية لـ zkVM وzkEVM

تجد كل من zkEVM وzkVM تطبيقات في مجالات مختلفة، ووعدت بإعادة تشكيل الصناعات وحالات استخدام البلوكشين:

• ثورة التمويل اللامركزي: يمكن لمنصات التمويل اللامركزي (DeFi) الاستفادة من zkVM وzkEVM لتعزيز سرعة المعاملات، وتقليل الرسوم، وحماية البيانات المالية الحساسة.
• تحول سلسلة التوريد: تتيح تقنيات zkVM وzkEVM شفافية وتتبعاً محسّنين في سلاسل التوريد، مما يقلل من الاحتيال ويزيد الكفاءة.
• أمن بيانات الرعاية الصحية: يمكن لتقنيات zkEVM وzkVM ضمان خصوصية وأمن بيانات الرعاية الصحية، مما يتيح مشاركة المعلومات بشكل آمن بين الأطراف المصرح لها.
• الألعاب ورموز NFT: يمكن لصناعة الألعاب وأسواق الرموز غير القابلة للاستبدال (NFTs) الاستفادة من المعاملات الأسرع ومعالجة البيانات الآمنة التي توفرها تقنيات zkVM وzkEVM.

مستقبل zkVM وقابلية توسع البلوكشين

مع اكتساب zkVM زخماً في مجال البلوكشين، فإنها تحمل إمكانات لمعالجة قضايا قابلية التوسع طويلة الأمد التي حدت من اعتماد البلوكشين ونموه. ومع ذلك، مثل أي تقنية ناشئة، هناك تحديات يجب التغلب عليها واعتبارات يجب وضعها في الاعتبار:

1. عوائق التبني: بينما يعد توافق zkVM مع مختلف سلاسل الكتل ميزة كبيرة، لا يزال التبني الواسع يعتمد على استعداد مشاريع البلوكشين لدمج هذه التكنولوجيا في شبكاتها.
2. مخاوف الأمان: تقدم إثباتات المعرفة الصفرية تقنيات تشفير معقدة، وأي ثغرات قد تشكل مخاطر أمنية كبيرة. التدقيق المستمر وتحسين تنفيذ zkVM أمران حاسمان للحفاظ على ثقة المستخدمين.
3. المنظور التنظيمي: مع تطور تقنية البلوكشين، ستستمر في مواجهة الرقابة التنظيمية. لا يزال الأمر غير واضح كيف سيعامل المنظمون إثباتات المعرفة الصفرية وتطبيقاتها، مما قد يؤثر على التبني المستقبلي لـ zkVM.

الخلاصة

يمثل الانتقال من zkEVM إلى zkVM خطوة كبيرة إلى الأمام في معالجة تحديات قابلية توسع البلوكشين. بينما وضعت zkEVM الأساس، تقدم zkVM حلاً أكثر مرونة وقابلية للتوسع لديه القدرة على إحداث ثورة في كيفية استخدام تقنية البلوكشين عبر صناعات مختلفة.

الانتقال إلى zkVM ليس خالياً من التحديات، لكن الفوائد التي يجلبها من حيث التوافق عبر المنصات، وسهولة الاستخدام، وإدارة البيانات، وسرعة معالجة المعاملات تجعله تقدماً مقنعاً في مجال البلوكشين. مع استمرار تطور zkVM وإيجاد مكانها في النظم البيئية للبلوكشين، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من تطبيقات البلوكشين القابلة للتوسع والفعالة التي لديها القدرة على تحويل الصناعات وتحسين حياة الناس حول العالم.