Wie der Weg von zkEVM zu zkVM die Skalierbarkeit von Blockchains verbesserte

Die Blockchain-Technologie hat seit der Einführung von Bitcoin vor mehr als einem Jahrzehnt einen weiten Weg zurückgelegt. Während die ersten Blockchain-Netzwerke in ihrem dezentralen Ansatz bahnbrechend waren, standen sie vor erheblichen Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die Skalierbarkeit. Da Blockchain-Anwendungen und Anwendungsfälle weiterhin expandieren, ist die Suche nach Lösungen für Skalierbarkeitsprobleme zu einer obersten Priorität geworden.

Eine der vielversprechenden Entwicklungen in diesem Bereich ist der Übergang von zkEVM (Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine) zu zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine), der das Potenzial hat, die Skalierbarkeit von Blockchains drastisch zu verbessern. In diesem Artikel werden wir uns mit der Welt von zkEVM befassen, ihre Grenzen untersuchen und verstehen, wie die Evolution zu zkVM erhebliche Verbesserungen in der Skalierbarkeit von Blockchains bewirken wird.

Der Aufstieg der Zero-Knowledge-Beweise (ZKPs)

Zero-Knowledge-Beweise spielen eine entscheidende Rolle beim Schutz der Privatsphäre der Nutzer im Internet, insbesondere wenn wir auf eine weit verbreitete Adoption in der Blockchain abzielen. Sie versprechen auch, rechnerische Herausforderungen zu lösen. Derzeit gibt es zwei prominente Ansätze, dies zu erreichen: zkEVMs und zkVMs. In dieser Untersuchung werden wir beide Ansätze vertiefen und ihre Vor- und Nachteile abwägen. Bevor wir jedoch in diese Analyse eintauchen, ist es wichtig zu verstehen, worauf wir optimieren und warum Privatsphäre eine so große Bedeutung hat.

Im Bereich der kryptografischen Evolution wird die Entwicklung von Merkmalen, ähnlich wie in der biologischen Entsprechung, durch das Ziel geleitet, bestimmte Ergebnisse zu optimieren. Bitcoin priorisierte beispielsweise die Sicherheit über alles andere, da es erkannte, dass dezentrale digitale Währung unmissverständlich sicher sein musste, bevor sie Akzeptanz und weit verbreitete Adoption finden konnte. Ethereum folgte einem ähnlichen Weg, betonte die Sicherheit und führte eine zusätzliche Ebene ein: die Programmierbarkeit, die durch Smart Contracts ermöglicht wird.

Diese Iterationen in der kryptografischen Evolution bauen oft aufeinander auf und bringen jeweils ihre eigenen einzigartigen Kompromisse mit sich. Im Fall von Ethereum muss jeder Knoten jede Transaktion erneut ausführen, was erhebliche rechnerische Herausforderungen mit sich bringt, die zu hohen Gas-Gebühren und langsamen Transaktionsgeschwindigkeiten führen. Die Entscheidung, Berechnungen direkt auf der Blockchain durchzuführen, wurde getroffen, um Sicherheit und Transparenz zu erhöhen. Dies geht jedoch auf Kosten von Leistung und Privatsphäre.

Rollups entstanden als Lösung, um die Skalierbarkeit zu verbessern, indem sie die mit Ethereum verbundenen rechnerischen Belastungen reduzierten. Während sie das Leistungsproblem teilweise angehen, berücksichtigen sie keine Datenschutzbedenken. Dies ist bedeutsam, da Privatsphäre zu einer Voraussetzung für Anwendungen geworden ist, die ihre Nutzerbasis erweitern möchten. Nutzer fordern zunehmend mehr Kontrolle über ihre Daten und werden skeptischer gegenüber Entitäten, die uneingeschränkten Zugriff auf ihre Informationen suchen.

App-Entwickler haben diesen wachsenden Trend hin zur Privatsphäre und ihre Notwendigkeit erkannt. Folglich haben sie aktiv Methoden erforscht, um die Privatsphäre durch den Einsatz von Zero-Knowledge-Beweisen (ZKPs) zu schützen. Diese kryptografischen Protokolle ermöglichen es Nutzern oder Anwendungen, die Wahrheit einer Aussage zu verifizieren, ohne zusätzliche Informationen preiszugeben. Zum Beispiel können ZKPs bestätigen, dass ein Nutzer über 18 Jahre alt ist, ohne sein genaues Alter oder sein Geburtsdatum preiszugeben.

Wie im 2023 State of Crypto-Bericht von a16z hervorgehoben, wird die Adoption der ZK-Proof-Technologie durch Entwickler voraussichtlich weiter zunehmen. Dieser Trend wird durch eine Flut akademischer Publikationen und eine steigende Anzahl täglicher Transaktionen angetrieben, die die Verifizierung von ZK-Proofs im Ethereum-Netzwerk beinhalten. Die Dynamik hinter ZKPs zeigt ihre wachsende Bedeutung im Bestreben, Privatsphäre, Sicherheit und Skalierbarkeit im Blockchain-Bereich in Einklang zu bringen.

Verständnis von zkVM

Der erste Aspekt, der definiert werden muss, ist: Was constitutes eine virtuelle Maschine (VM)? Kurz gesagt, eine VM ist ein Softwareprogramm, das andere Programme ausführen kann, das typischerweise als eine iterative Schleife funktioniert, die eine bestimmte Reihe von Anweisungen ausführt – wobei diese Anweisungen das „andere Programm“ darstellen.

Die Ethereum Virtual Machine (EVM) dient speziell als die VM, die für die Ausführung von Ethereum-Smart-Contracts verantwortlich ist. Die ursprüngliche Zusammenstellung der unterstützten Anweisungen und ihres jeweiligen Verhaltens wurde 2014 im wegweisenden Yellow Paper dargelegt – nicht nur wegen seiner Bedeutung, sondern auch wegen seiner auffälligen gelben Farbe – verfasst von Gavin Wood. Das Papier befindet sich in einem Zustand kontinuierlicher Aktualisierungen, um den aktuellen Stand der unterstützten Anweisungen widerzuspiegeln.

Eine Zero-Knowledge-Virtuelle Maschine (zk VM) ist andererseits im Wesentlichen eine VM, die als Schaltung (Circuit) in einem Zero-Knowledge-Beweis-System (zkp) implementiert ist. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen zkp-Systemen, die sich hauptsächlich auf den Nachweis der Programmausführung konzentrieren. Bei zkVMs verschiebt sich der Schwerpunkt auf die Verifizierung der Ausführung einer virtuellen Maschine selbst. Folglich ziehen einige Personen eine Unterscheidung und kategorisieren nicht-VM-zkps als Teil des FPGA-Ansatzes (Field-Programmable Gate Array), während sie zkVMs als Bestandteile des CPU-Ansatzes (Central Processing Unit) betrachten.

Innerhalb von zkp-Systemen sind Programme oder Schaltungen unveränderliche Entitäten, ähnlich wie Binärdateien, die aus spezifischen Programmen kompiliert wurden. Folglich verkörpert eine zkVM-Schaltung effektiv eine vorbestimmte Anzahl von Iterationen für die Schleife, was mit dem Ausrollen der Schleife verglichen werden kann. Im Wesentlichen ist eine zkVM eine Schaltung, die eine virtuelle Maschine ausführt. Die Anweisungen des eigentlichen Programms können als öffentliche Eingabe in diese Schaltung eingeführt werden, was vollständige Transparenz bezüglich des zu verifizierenden Programms ermöglicht. (Es gibt verschiedene Methoden, um die Anweisungen des Programms an die VM zu übermitteln, falls man weitere Alternativen erkunden möchte.)

Mehrere zkVM-Projekte sind entstanden, wobei mindestens drei bemerkenswerte Bemühungen zu nennen sind:

1. Cairo: Von Starknet genutzt, ist dieses Projekt für sein sorgfältiges Papier bemerkenswert, das als Kunstwerk gilt. Eine experimentelle Implementierung namens „turshi“ ist ebenfalls im Kimchi-Framework enthalten.
2. Miden: Ein Projekt im Polygon-Ökosystem, das sich derzeit in der Entwicklung befindet.
3. Risczero: Eine weitere in Arbeit befindliche Initiative zielt Risczero darauf ab, den RISC-V-Befehlssatz zu unterstützen, einen weit verbreiteten Standard, der über den Blockchain-Bereich hinaus anerkannt ist.

Jedes dieser Projekte unterstützt unterschiedliche Befehlssätze, was sie untereinander nicht interoperabel macht.

Arten von zkVM

Das Feld der zk-VMs kann in zwei verschiedene Typen unterteilt werden:

1. zk-optimierte VMs: Bemerkenswerte Beispiele sind Cairo und Miden. Diese VMs sind sorgfältig darauf ausgelegt, Effizienz zu priorisieren, was sie erheblich schneller macht. Ihr Hauptziel ist es, eine nahtlose Integration mit Zero-Knowledge-Beweis-Systemen (zkp) zu ermöglichen und den Verifizierungsprozess zu vereinfachen.
2. Real-World-VMs: Diese Kategorie umfasst VMs wie RiscZero, die den RISC-V-Befehlssatz unterstützt, sowie verschiedene zkEVMs, die auf die Ethereum Virtual Machine (EVM) zugeschnitten sind. Real-World-VMs sollen Kompatibilität mit etablierten Befehlssätzen und Ökosystemen außerhalb des Bereichs der Zero-Knowledge-Beweise bieten.

Die Motivation hinter der Unterstützung der EVM lässt sich auf mehrere überzeugende Gründe zurückführen. Erstens ermöglicht es Ethereum selbst, Beweise zu erstellen, die den gesamten Zustandsübergang umfassen – vom Genesis-Zustand bis zum neuesten Ethereum-Zustand. Diese Fähigkeit wird beispielsweise von Projekten wie Mina demonstriert.

Zweitens bietet die Übernahme der EVM-Kompatibilität für Nicht-Ethereum-Projekte den Vorteil, Projekte und Anwendungen aus dem Ethereum-Ökosystem nahtlos integrieren zu können, wie Uniswap. Dies erleichtert nicht nur die Interoperabilität, sondern bietet auch die Möglichkeit, Entwickler aus der Ethereum-Community für neue Projekte zu gewinnen.

Mechanismus von zkVM

ZkVM, das aus unserer vorherigen Arbeit an TxVM stammt und von Bitcoin- und Ethereum-Designs beeinflusst ist, führt ein neues Transaktionsformat ein. In ZkVM wird eine Transaktion als ein Programm dargestellt, das den Asset-Flow direkt als First-Class-Objekte manipuliert und den Blockchain-Zustand über ein Transaktionsprotokoll aktualisiert. Diese Trennung der Anwendung des Transaktionsprotokolls von der Validierung ermöglicht ein hochskalierbares Design und bietet gleichzeitig eine robuste Umgebung für benutzerdefinierte Verträge.

Um die Skalierbarkeit der Blockchain zu verbessern und vertrauliche Wertübertragungen zu ermöglichen, verwendet ZkVM ein UTXO-Modell (Unspent Transaction Output), um Guthaben darzustellen. Alle Guthaben werden als Mengen von unverbrauchten Ausgaben (UTXOs) ausgedrückt, die in Transaktionen erstellt, zerstört und manipuliert werden können. Diese UTXOs werden effizient als Merkle-Roots unter Verwendung des Utreexo-Schemas gespeichert, was die Speicheranforderungen erheblich reduziert und die breitere Bereitstellung vollständig validierender Knoten erleichtert.

In ZkVM ist jeder Output ein Vertrag, der im Blockchain-Zustand gespeichert ist und mehrere Elemente enthält, die durch ein Prädikat geschützt sind – eine Bedingung, die erfüllt sein muss, um diese Elemente freizuschalten. ZkVM verwendet ein auf Taproot basierendes Design, das es Verträgen ermöglicht, entweder durch kryptografische Signaturen oder durch die Ausführung eines eingebetteten Unterprogramms, das benutzerdefinierte Bedingungen verifiziert, freigeschaltet zu werden.

Verträge in ZkVM dienen als vielseitige Bausteine für höherstufige Protokolle wie Konten, Orderbücher und Zahlungskanäle. Diese Flexibilität ermöglicht es Plattformen wie Stellar, Designentscheidungen des Protokolls von der konsenskritischen Schicht wegzubewegen und fördert die Experimentierung mit einer breiten Palette dezentraler Anwendungen.

In Bezug auf Vertraulichkeit schlägt ZkVM einen Mittelweg unter Verwendung des Taproot-Schemas in Prädikaten. Vertragslogik muss nicht offengelegt werden, wenn alle Parteien zusammenarbeiten, aber die Sicherheit bleibt intakt, wenn sie dies nicht tun. Selbst wenn die Vertragslogik offengelegt werden muss, bleiben Daten wie Guthaben und Vertragsparameter aufgrund eines Zero-Knowledge-verifizierten Constraints-Systems vertraulich.

ZkVM nutzt das Zero-Knowledge-Beweissystem Bulletproofs, das Werte und Daten standardmäßig als Pedersen-Commitments verschlüsselt. Nutzer können arithmetische und logische Ausdrücke über geheimen Werten angeben, die automatisch in ein Bulletproofs-Constraint-System umgewandelt werden. Transaktionen sind kompakt und effizient, wobei kleine Transaktionen eine Größe von 1 bis 1,5 KB haben und aggregierte Zahlungen eine marginale Kosten von nur 200 Bytes pro Input-Output-Paar verursachen. Die Verifizierung ist stark parallelisierbar und dauert nur etwa 1 Millisekunde pro Output. Diese Effizienz ermöglicht es ZkVM, Sicherheit zu priorisieren, ohne die Datenverschlüsselung zu beeinträchtigen, und stellt sicher, dass Daten nur autorisierten Parteien bedarfsgerecht offengelegt werden. Darüber hinaus eliminiert das Bulletproofs-Framework die Notwendigkeit eines vertrauenswürdigen Setups, was die Erstellung neuer Protokolle auf Basis von ZkVM ermöglicht, ohne dass Netzwerk-Updates für jedes Feature erforderlich sind.

Die Notwendigkeit des Übergangs von zkEVM zu zkVM

Einschränkungen von zkEVM

Obwohl zkEVM erhebliche Verbesserungen einführte, hatte es dennoch einige Einschränkungen, die sein Skalierungspotenzial behinderten:

1. Eingeschränkte Kompatibilität: zkEVM wurde primär für das Ethereum-Netzwerk entwickelt. Dies bedeutete, dass andere Blockchain-Plattformen die Technologie nicht ohne Weiteres übernehmen konnten, was ihre breitere Auswirkungen auf das Blockchain-Ökosystem einschränkte.
2. Komplexität: Die Implementierung von zkEVM erforderte ein tiefes Verständnis von Zero-Knowledge-Beweisen und Kryptographie. Diese Komplexität machte es für Entwickler schwierig, zkEVM in ihre Projekte zu integrieren, was die Adoption weiter einschränkte.
3. Speicher- und Datenherausforderungen: zkEVM adressierte das Problem der Datenspeicherung auf der Blockchain nicht effektiv. Große Speicheranforderungen blieben ein Engpass für die Skalierbarkeit.

Der Übergang zu zkVM: Ein Skalierbarkeitsdurchbruch

Um die Einschränkungen von zkEVM zu erkennen, begab sich die Blockchain-Community auf eine Reise, um eine vielseitigere und skalierbarere Lösung zu entwickeln, was zur Geburt von zkVM, der Zero-Knowledge-Virtual Machine, führte.

zkVM baut auf den grundlegenden Prinzipien von zkEVM auf und adressiert dessen Mängel. Lassen Sie uns untersuchen, wie zkVM im Begriff ist, die Blockchain-Skalierbarkeit zu revolutionieren:

1. Plattformübergreifende Kompatibilität: Im Gegensatz zu zkEVM ist zkVM so konzipiert, dass er blockchain-agnostisch ist. Das bedeutet, dass er in verschiedene Blockchain-Netzwerke integriert werden kann, nicht nur in Ethereum. Diese breitere Kompatibilität öffnet die Tür dafür, dass zkVM eine bedeutendere Auswirkung auf das gesamte Blockchain-Ökosystem haben kann.
2. Verbesserte Benutzererfahrung: zkVM zielt darauf ab, den Implementierungsprozess für Entwickler zu vereinfachen. Durch die Bereitstellung benutzerfreundlicher Tools und Schnittstellen macht zkVM es Entwicklern leichter, die Kraft von Zero-Knowledge-Beweisen zu nutzen, und senkt die Einstiegshürden.
3. Verbessertes Datenmanagement: zkVM adressiert das Problem der Datenspeicherung effektiver. Es führt innovative Techniken für Datenkompression und -speicherung ein, was die Speicheranforderungen auf der Blockchain reduziert. Diese Optimierung hat eine direkte positive Auswirkung auf die Skalierbarkeit, indem sie die Größe der Blockchain-Daten verringert.
4. Schnellere Transaktionsverarbeitung: Mit den Off-Chain-Berechnungsfähigkeiten von zkVM wird die rechnerische Last im Blockchain-Netzwerk weiter reduziert. Dies führt zu schnelleren Transaktionsverarbeitungszeiten, niedrigeren Gebühren und einer verbesserten Gesamtleistung.

Worauf optimieren wir?

Lockheed Martin hat sich der ehrgeizigen Aufgabe gewidmet, die F-35 zu entwickeln, mit der Vision eines vielseitigen Kampfflugzeugs, das spezialisierte Luft-Luft- und Luft-Boden-Kampfflugzeuge ersetzen sollte. Dieses Vorhaben ist jedoch auf erhebliche Rückschläge gestoßen, liegt ein Jahrzehnt hinter dem geplanten Zeitplan zurück und hat sich unter Branchenexperten den Ruf erworben, eines der am wenigsten erfolgreichen jemals produzierten Kampfflugzeuge zu sein.

Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Erfahrung ist, dass Systeme, die für einen bestimmten Zweck entwickelt werden, diese Rolle oft besser erfüllen als Lösungen, die versuchen, mehrere Ziele gleichzeitig zu optimieren.

Ein Vergleich mit dem Blockchain-Bereich zeigt: Ethereum wurde ursprünglich als vollständig öffentliche und transparente Plattform konzipiert. Wenn man versucht, Privatsphäre-Funktionen in eine solche Blockchain einzuführen, ist es unwahrscheinlich, dass sie die gleiche Leistungsfähigkeit erreicht wie ein System, das von Anfang an mit Privatsphäre als Kernprinzip entwickelt wurde. Dies stellt ingenieurtechnische Herausforderungen dar, da Entwickler Programme anpassen müssen, die ursprünglich nicht für diesen Kontext gedacht waren, was zu komplexen und unhandlichen Schaltungen führt.

Der alternative Ansatz beinhaltet jedoch die Entwicklung einer speziell für Privatsphäre konzipierten Anwendungsschicht. Dieser Ansatz ermöglicht die Optimierung privatsphärebezogener Funktionen und gleichzeitig die Nutzung der Vorteile von Zero-Knowledge-Proofs, einem Thema, das wir im folgenden Abschnitt vertiefen werden.

Anwendungen von zkVM und zkEVM in der Praxis

Sowohl zkEVM als auch zkVM finden in verschiedenen Bereichen Anwendung und versprechen, Branchen und Blockchain-Anwendungsfälle neu zu gestalten:

• DeFi-Revolution: Dezentrale Finanzplattformen (DeFi) können zkVM und zkEVM nutzen, um die Transaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, Gebühren zu senken und sensible Finanzdaten zu schützen.
• Transformation der Lieferkette: Verbesserte Transparenz und Rückverfolgbarkeit in Lieferketten sind mit zkVM und zkEVM möglich, was Betrug reduziert und die Effizienz steigert.
• Sicherheit von Gesundheitsdaten: zkEVM und zkVM können die Privatsphäre und Sicherheit von Gesundheitsdaten gewährleisten und so die sichere Weitergabe von Informationen zwischen autorisierten Parteien ermöglichen.
• Gaming und NFTs: Die Gaming-Branche und Non-Fungible-Token (NFT)-Marktplätze können von schnelleren Transaktionen und sicherer Datenverarbeitung profitieren, die von zkVM und zkEVM bereitgestellt werden.

Die Zukunft von zkVM und Blockchain-Skalierbarkeit

Während zkVM im Blockchain-Bereich an Bedeutung gewinnt, hat es das Potenzial, die langjährigen Skalierbarkeitsprobleme anzugehen, die die Adoption und das Wachstum von Blockchain eingeschränkt haben. Wie bei jeder aufstrebenden Technologie gibt es jedoch zu bewältigende Herausforderungen und zu berücksichtigende Aspekte:

1. Hürden bei der Adoption: Obwohl die Kompatibilität von zkVM mit verschiedenen Blockchains ein erheblicher Vorteil ist, wird die weit verbreitete Adoption weiterhin von der Bereitschaft der Blockchain-Projekte abhängen, diese Technologie in ihre Netzwerke zu integrieren.
2. Sicherheitsbedenken: Zero-Knowledge-Proofs führen komplexe kryptografische Techniken ein, und jegliche Schwachstellen könnten erhebliche Sicherheitsrisiken darstellen. Kontinuierliche Audits und Verbesserungen der zkVM-Implementierungen sind entscheidend, um das Vertrauen der Nutzer aufrechtzuerhalten.
3. Regulatorische Landschaft: Während sich die Blockchain-Technologie weiterentwickelt, wird sie weiterhin regulatorischer scrutiny unterliegen. Es bleibt abzuwarten, wie Regulierungsbehörden Zero-Knowledge-Proofs und deren Anwendungen behandeln werden, was die zukünftige Adoption von zkVM beeinflussen könnte.

Fazit

Der Weg von zkEVM zu zkVM stellt einen bedeutenden Schritt vorwärts bei der Bewältigung von Blockchain-Skalierbarkeitsproblemen dar. Während zkEVM das Fundament legte, bietet zkVM eine vielseitigere und skalierbarere Lösung, die das Potenzial hat, die Art und Weise, wie Blockchain-Technologie in verschiedenen Branchen genutzt wird, zu revolutionieren.

Der Übergang zu zkVM ist nicht ohne Herausforderungen, aber die Vorteile, die er in Bezug auf plattformübergreifende Kompatibilität, Benutzerfreundlichkeit, Datenmanagement und Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeit bietet, machen ihn zu einem überzeugenden Fortschritt im Blockchain-Bereich. Während zkVM weiterentwickelt wird und seinen Platz in Blockchain-Ökosystemen findet, können wir erwarten, dass wir mehr skalierbare und effiziente Blockchain-Anwendungen sehen, die das Potenzial haben, Branchen zu transformieren und das Leben der Menschen auf der ganzen Welt zu verbessern.