Wie der Weg von zkEVM zu zkVM die Blockchain-Skalierbarkeit verbesserte

Die Blockchain-Technologie hat seit der Entstehung von Bitcoin vor über einem Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Obwohl die ersten Blockchain-Netzwerke mit ihrem dezentralen Ansatz bahnbrechend waren, standen sie vor erheblichen Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Skalierbarkeit. Da Blockchain-Anwendungen und -Anwendungsfälle stetig zunehmen, hat die Suche nach Lösungen für Skalierungsprobleme höchste Priorität.

Eine der vielversprechendsten Entwicklungen in diesem Bereich ist der Übergang von zkEVM (Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine) zu zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine), der das Potenzial birgt, die Skalierbarkeit von Blockchains drastisch zu verbessern. In diesem Artikel werden wir uns mit zkEVM auseinandersetzen, seine Grenzen untersuchen und verstehen, wie die Weiterentwicklung zu zkVM die Skalierbarkeit von Blockchains erheblich verbessern wird.

Der Aufstieg der Zero-Knowledge-Beweise (ZKPs)

Zero-Knowledge-Beweise spielen eine zentrale Rolle beim Schutz der Privatsphäre von Nutzern im Internet, insbesondere im Hinblick auf die angestrebte breite Akzeptanz der Blockchain. Sie bergen zudem das Potenzial, Rechenherausforderungen zu bewältigen. Derzeit gibt es zwei vielversprechende Ansätze, dies zu erreichen: zkEVMs und zkVMs. In dieser Untersuchung werden wir beide Ansätze genauer betrachten und ihre Vor- und Nachteile abwägen. Bevor wir jedoch in diese Analyse einsteigen, ist es wichtig zu verstehen, worauf wir optimieren und warum Datenschutz so bedeutsam ist.

Im Bereich der kryptografischen Evolution, ähnlich wie in der Biologie, wird die Entwicklung von Merkmalen durch das Ziel der Optimierung für spezifische Ergebnisse geleitet. Bitcoinbeispielsweise priorisierte die Sicherheit an erster Stelle, da man erkannte, dass dezentrale digitale Währungen absolut sicher sein mussten, um Akzeptanz und breite Anwendung zu finden. Ethereum verfolgte einen ähnlichen Weg, indem es die Sicherheit betonte und gleichzeitig eine zusätzliche Ebene einführte: die Programmierbarkeit durch Smarttrac.

Diese Iterationen der kryptografischen Entwicklung bauen tendenziell aufeinander auf und bringen jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich. Im Fall von Ethereummuss jeder Knoten jede Transaktion erneut ausführen, was enorme Rechenherausforderungen mit sich bringt, die zu hohen Gasgebühren und langsamen Transaktionsgeschwindigkeiten führen. Die Entscheidung, Berechnungen direkt auf der Blockchain durchzuführen, wurde getroffen, um Sicherheit und Transparenz zu verbessern. Dies hat jedoch seinen Preis: Einbußen bei Leistung und Datenschutz.

Rollups entstanden als Lösung zur Verbesserung der Skalierbarkeit durch Reduzierung des Rechenaufwands bei Ethereum. Obwohl sie das Leistungsproblem angehen, berücksichtigen sie keine Datenschutzbedenken. Dies ist von Bedeutung, da Datenschutz zu einer Grundvoraussetzung für Anwendungen geworden ist, die ihre Nutzerbasis erweitern möchten. Nutzer fordern zunehmend mehr Kontrolle über ihre Daten und stehen Organisationen, die uneingeschränkten Zugriff auf ihre Informationen anstreben, misstrauisch gegenüber.

App-Entwickler haben diesen wachsenden Trend hin zu mehr Datenschutz und dessen Notwendigkeit erkannt. Daher erforschen sie aktiv Methoden zum Schutz der Privatsphäre mithilfe von Zero-Knowledge-Proofs (ZKPs). Diese kryptografischen Protokolle ermöglichen es Nutzern oder Anwendungen, die Richtigkeit einer Aussage zu überprüfen, ohne zusätzliche Informationen preiszugeben. Beispielsweise können ZKPs bestätigen, dass ein Nutzer über 18 Jahre alt ist, ohne sein genaues Alter oder Geburtsdatum offenzulegen.

Wie der a16z-Bericht „State of Crypto 2023“ hervorhebt, dürfte die Nutzung der ZK-Proof-Technologie durch Entwickler weiter zunehmen. Dieser Trend wird durch eine Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen und eine steigende Anzahl täglicher Transaktionen, die die Verifizierung von ZK-Proofs im Ethereum Netzwerk beinhalten, befeuert. Die Dynamik hinter ZKPs unterstreicht deren wachsende Bedeutung im Bestreben, Datenschutz, Sicherheit und Skalierbarkeit im Blockchain-Bereich in Einklang zu bringen.

zkVM verstehen

Der erste Aspekt, der defibedarf, ist: Was genau ist eine virtuelle Maschine (VM)? Kurz gesagt, ist eine VM ein Softwareprogramm, das andere Programme ausführen kann und typischerweise als iterative Schleife fungiert, die einen bestimmten Satz von Anweisungen ausführt – diese Anweisungen repräsentieren das „andere Programm“

Die Ethereum Virtual Machine (EVM) dient als virtuelle Maschine zur Ausführung Ethereum Smarttrac. Die ursprüngliche Zusammenstellung der unterstützten Befehle und ihres jeweiligen Verhaltens wurde 2014 in dem wegweisenden Yellow Paper von Gavin Wood beschrieben – ein Dokument, das nicht nur durch seine Bedeutung, sondern auch durch seine markante gelbe Farbe besticht. Das Paper wird kontinuierlich aktualisiert, um den aktuellen Stand der unterstützten Befehle widerzuspiegeln.

Eine Zero-Knowledge Virtual Machine (zkVM) ist im Wesentlichen eine virtuelle Maschine, die als Schaltkreis innerhalb eines Zero-Knowledge-Proof-Systems (zkp) implementiert ist. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen zkp-Systemen, die sich hauptsächlich auf den Nachweis der Programmausführung konzentrieren. Bei zkVMs liegt der Schwerpunkt auf der Verifizierung der Ausführung der virtuellen Maschine selbst. Daher wird eine Unterscheidung getroffen: Nicht-VM-zkp-Systeme werden dem FPGA-Ansatz (Field-Programmable Gate Array) zugeordnet, während zkVMs als Bestandteile des CPU-Ansatzes (Central Processing Unit) betrachtet werden.

In zkp-Systemen sind Programme oder Schaltkreise unveränderliche Einheiten, ähnlich wie Binärdateien, die aus bestimmten Programmen kompiliert werden. Folglich verkörpert ein zkVM-Schaltkreis effektiv eine vorbestimmte Anzahl von Schleifendurchläufen, was dem Abrollen der Schleife gleichkommt. Im Wesentlichen ist eine zkVM ein Schaltkreis, der eine virtuelle Maschine ausführt. Die Anweisungen des eigentlichen Programms können als öffentliche Eingabe in diesen Schaltkreis eingeführt werden, wodurch vollständige Transparenz hinsichtlich des zu verifizierenden Programms gewährleistet wird. (Es gibt verschiedene Methoden, um die Programmanweisungen an die VM zu übermitteln, falls weitere Alternativen untersucht werden sollen.)

Es sind mehrere zkVM-Projekte entstanden, von denen mindestens drei besonders hervorzuheben sind:

1. Kairo: Dieses von Starknet genutzte Projekt zeichnet sich durch seine akribische Dokumentation aus, die als wahres Kunstwerk gilt. Eine experimentelle Implementierung namens „Turshi“ ist ebenfalls im Kimchi-Framework enthalten.
2. Miden: Ein Projekt innerhalb des Polygon-Ökosystems, Miden befindet sich derzeit in der Entwicklung.
3. Risczero: Risczero ist eine weitere Initiative in der Entwicklung und hat sich zum Ziel gesetzt, den RISC-V-Befehlssatz zu unterstützen, einen weithin anerkannten Standard, der weit über den Blockchain-Bereich hinausgeht.

Jedes dieser Projekte verwendet unterschiedliche Befehlssätze, wodurch sie untereinander nicht interoperabel sind.

Arten von zkVM

Das Gebiet der zk VMs kann in zwei unterschiedliche Typen unterteilt werden:

1. zk-optimierte VMs: Bekannte Beispiele sind Cairo und Miden. Diese VMs sind sorgfältig auf maximale Effizienz ausgelegt und daher deutlich schneller. Ihr Hauptziel ist die nahtlose Integration mit Zero-Knowledge-Proof-Systemen (zkp), wodurch der Verifizierungsprozess vereinfacht wird.
2. Realwelt-VMs: Diese Kategorie umfasst VMs wie RiscZero, die den RISC-V-Befehlssatz unterstützt, und verschiedene zkEVMs, die speziell für die Ethereum Virtual Machine (EVM) entwickelt wurden. Realwelt-VMs sollen Kompatibilität mit etablierten Befehlssätzen und Ökosystemen jenseits von Zero-Knowledge-Beweisen gewährleisten.

Die Unterstützung der EVM lässt sich auf mehrere überzeugende Gründe zurückführen. Erstens ermöglicht sie Ethereum selbst die Erstellung von Nachweisen, die den gesamten Zustandsübergang – vom Genesis-Zustand bis zum aktuellen Ethereum Zustand – umfassen. Projekte wie Mina demonstrieren diese Fähigkeit.

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

Mechanismus von zkVM

ZkVM, das auf unserer Vorarbeit an TxVM basiert und von Bitcoin und Ethereum -Architekturen beeinflusst ist, führt ein neuartiges Transaktionsformat ein. In ZkVM wird eine Transaktion als Programm dargestellt, das den Asset-Fluss direkt als eigenständige Objekte manipuliert und den Blockchain-Status über ein Transaktionsprotokoll aktualisiert. Diese Trennung von Transaktionsprotokollierung und Validierung ermöglicht ein hochskalierbares Design und bietet gleichzeitig eine robuste Umgebung für kundenspezifischetrac.

Um die Skalierbarkeit der Blockchain zu verbessern unddentWerttransfers zu ermöglichen, verwendet ZkVM ein UTXO-Modell (Unspent Transaction Output) zur Darstellung von Guthaben. Alle Guthaben werden als Mengen von nicht ausgegebenen Ausgaben (UTXOs) ausgedrückt, die innerhalb von Transaktionen erstellt, gelöscht und manipuliert werden können. Diese UTXOs werden effizient als Merkle-Wurzeln mithilfe des Utreexo-Schemas gespeichert, wodurch der Speicherbedarf deutlich reduziert und der breitere Einsatz vollständig validierender Knoten erleichtert wird.

In ZkVM ist jede Ausgabe ein im Blockchain-Zustand gespeichertertrac, der mehrere durch ein Prädikat geschützte Elemente enthält – eine Bedingung, die erfüllt sein muss, um diese Elemente freizuschalten. ZkVM verwendet ein Taproot-basiertes Design, wodurchtracentweder durch kryptografische Signaturen oder durch die Ausführung eines eingebetteten Unterprogramms, das benutzerdefinierte Bedingungen überprüft, freigeschaltet werden können.

tracin ZkVM dienen als vielseitige Bausteine ​​für übergeordnete Protokolle wie Konten, Orderbücher und Zahlungskanäle. Diese Flexibilität ermöglicht es Plattformen wie Stellar, Entscheidungen zum Protokolldesign von der konsenskritischen Schicht zu entkoppeln und so das Experimentieren mit einer Vielzahl dezentraler Anwendungen zu fördern.

Hinsichtlichdentschafft ZkVM durch die Verwendung des Taproot-Schemas in Prädikaten ein ausgewogenes Verhältnis. Dietracmuss nicht offengelegt werden, wenn alle Parteien kooperieren; die Sicherheit bleibt aber auch dann gewahrt, wenn sie nicht kooperieren. Selbst wenn dietracoffengelegt werden muss, bleiben Daten wie Kontostände undtracdank eines Zero-Knowledge-verifizierten Constraint-Systemsdent.

ZkVM nutzt das Zero-Knowledge-Beweissystem Bulletproofs und verschlüsselt Werte und Daten standardmäßig als Pedersen-Commitments. Benutzer können arithmetische und logische Ausdrücke über geheime Werte definieren, diematicin ein Bulletproofs-Constraint-System transformiert werden. Transaktionen sind kompakt und effizient: Kleine Transaktionen umfassen 1 bis 1,5 KB, und aggregierte Zahlungen verursachen Grenzkosten von nur 200 Byte pro Eingabe-Ausgabe-Paar. Die Verifizierung ist hochgradig parallelisierbar und benötigt nur etwa 1 Millisekunde pro Ausgabe. Dank dieser Effizienz kann ZkVM Sicherheit priorisieren, ohne die Datenverschlüsselung zu beeinträchtigen. So wird sichergestellt, dass Daten nur autorisierten Parteien nach dem Need-to-know-Prinzip zugänglich gemacht werden. Darüber hinaus entfällt durch das Bulletproofs-Framework die Notwendigkeit einer vertrauenswürdigen Umgebung. Dadurch können neue Protokolle auf ZkVM aufbauen, ohne dass für jede Funktion netzwerkweite Upgrades erforderlich sind.

Die Notwendigkeit des Übergangs von zkEVM zu zkVM

Einschränkungen von zkEVM

Obwohl zkEVM bedeutende Verbesserungen mit sich brachte, wies es dennoch einige Einschränkungen auf, die sein Skalierungspotenzial beeinträchtigten:

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 Wirkung auf das Blockchain-Ökosystem einschränkte.
2. Komplexität: Die Implementierung von zkEVM erforderte ein tiefes Verständnis von Zero-Knowledge-Beweisen und Kryptographie. Diese Komplexität erschwerte es Entwicklern, zkEVM in ihre Projekte zu integrieren, was seine Verbreitung weiter einschränkte.
3. Speicher- und Datenherausforderungen: zkEVM hat das Problem der Datenspeicherung auf der Blockchain nicht effektiv gelöst. Der hohe Speicherbedarf blieb ein Engpass für die Skalierbarkeit.

Der Übergang zu zkVM: Ein Durchbruch in puncto Skalierbarkeit

In Anbetracht der Einschränkungen von zkEVM machte sich die Blockchain-Community auf die Suche nach einer vielseitigeren und skalierbareren Lösung, was zur Entstehung von zkVM, oder Zero-Knowledge Virtual Machine, führte.

zkVM baut auf den Grundprinzipien von zkEVM auf und behebt gleichzeitig dessen Schwächen. Lassen Sie uns untersuchen, wie zkVM das Potenzial hat, die Skalierbarkeit der Blockchain zu revolutionieren:

1. Plattformübergreifende Kompatibilität: Im Gegensatz zu zkEVM ist zkVM blockchain-agnostisch konzipiert. Das bedeutet, dass es in verschiedene Blockchain-Netzwerke integriert werden kann, nicht nur in Ethereum. Diese breitere Kompatibilität ermöglicht es zkVM, einen bedeutenderen Einfluss auf das gesamte Blockchain-Ökosystem auszuüben.
2. Verbesserte Benutzerfreundlichkeit: zkVM vereinfacht die Implementierung für Entwickler. Durch benutzerfreundliche Tools und Schnittstellen erleichtert zkVM die Nutzung von Zero-Knowledge-Beweisen und senkt so die Einstiegshürde.
3. Verbessertes Datenmanagement: zkVM löst das Problem der Datenspeicherung effektiver. Es führt innovative Techniken zur Datenkomprimierung und -speicherung ein und reduziert so den Speicherbedarf der Blockchain. Diese Optimierung wirkt sich direkt positiv auf die Skalierbarkeit aus, da die Größe der Blockchain-Daten verringert wird.
4. Schnellere Transaktionsverarbeitung: Dank der Off-Chain-Berechnungsfunktionen von zkVM wird die Rechenlast im Blockchain-Netzwerk weiter reduziert. Dies führt zu schnelleren Transaktionsverarbeitungszeiten, niedrigeren Gebühren und einer insgesamt verbesserten Leistung.

Worauf optimieren wir?

Lockheed Martin nahm sich die ambitionierte Aufgabe vor, die F-35 zu entwickeln, mit dem Ziel, einen vielseitigen Kampfjet zu schaffen, der spezialisierte Luft-Luft- und Luft-Boden-Jäger ersetzen sollte. Dieses Vorhaben erlitt jedoch erhebliche Rückschläge, hinkte dem geplanten Zeitplan um ein Jahrzehnt hinterher und gilt unter Branchenexperten als einer der erfolglosesten Kampfjets aller Zeiten.

Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Erfahrung ist, dass ein System, das mit Blick auf einen bestimmten Zweck entwickelt wurde, oft hervorragend darin ist, diese spezielle Rolle zu erfüllen, im Vergleich zu einer Lösung, die versucht, mehrere Ziele gleichzeitig zu optimieren.

Ähnlich wie die Blockchain-Technologie wurde Ethereum ursprünglich als vollständig öffentliche und transparente Plattform konzipiert. Versucht man, Datenschutzfunktionen in eine solche Blockchain einzuführen, wird man kaum die gleiche Leistungsfähigkeit erreichen wie bei einem System, das von Anfang an auf Datenschutz als Kernprinzip ausgelegt ist. Dies stellt Entwickler vor große Herausforderungen, da sie Programme anpassen müssen, die ursprünglich nicht für diesen Kontext vorgesehen waren, was zur Entwicklung komplexer und schwerfälliger Schaltungen führt.

Der alternative Ansatz besteht jedoch in der Entwicklung einer speziell für den Datenschutz konzipierten Anwendungsschicht. Dieser Ansatz ermöglicht die Optimierung datenschutzrelevanter Funktionen und nutzt gleichzeitig die Vorteile von Zero-Knowledge-Beweisen – ein Thema, das wir im folgenden Abschnitt genauer betrachten werden.

Anwendungsbeispiele für zkVM und zkEVM in der Praxis

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

• DeFi Revolution: Plattformen für dezentrale Finanzen (DeFi) können zkVM und zkEVM nutzen, um die Transaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, Gebühren zu senken und sensible Finanzdaten zu schützen.
• Transformation der Lieferkette: Mit zkVM und zkEVM sind eine verbesserte Transparenz und tracin Lieferketten möglich, wodurch Betrug reduziert und die Effizienz gesteigert wird.
• Datensicherheit im Gesundheitswesen: zkEVM und zkVM gewährleisten die Vertraulichkeit und Sicherheit von Gesundheitsdaten und ermöglichen den sicheren Informationsaustausch zwischen autorisierten Parteien.
• Gaming und NFTs: Die Spieleindustrie und Marktplätze für Non-Fungible Token (NFTs) können von schnelleren Transaktionen und sicherer Datenverarbeitung profitieren, die zkVM und zkEVM bieten.

Die Zukunft von zkVM und Blockchain-Skalierbarkeit

Da zkVM im Blockchain-Bereich tracBedeutung gewinnt, birgt es das Potenzial, die seit Langem bestehenden Skalierungsprobleme zu lösen, die die Akzeptanz und das Wachstum der Blockchain bisher eingeschränkt haben. Wie bei jeder neuen Technologie gibt es jedoch Herausforderungen zu bewältigen und Aspekte zu berücksichtigen:

1. Einführungshürden: Obwohl die Kompatibilität von zkVM mit verschiedenen Blockchains ein bedeutender Vorteil ist, wird eine breite Akzeptanz dennoch von der Bereitschaft der Blockchain-Projekte abhängen, diese Technologie in ihre Netzwerke zu integrieren.
2. Sicherheitsbedenken: Zero-Knowledge-Beweise beinhalten komplexe kryptografische Verfahren, und jegliche Schwachstellen können erhebliche Sicherheitsrisiken darstellen. Die kontinuierliche Überprüfung und Verbesserung von zkVM-Implementierungen ist daher unerlässlich, um das Vertrauen der Nutzer zu erhalten.
3. Regulatorisches Umfeld: Mit der Weiterentwicklung der Blockchain-Technologie wird auch künftig regulatorische Kontrollen unterliegen. Es bleibt abzuwarten, wie die Regulierungsbehörden Zero-Knowledge-Beweise und deren Anwendungen behandeln werden, was sich auf die zukünftige Verbreitung von zkVM auswirken könnte.

Abschluss

Der Übergang von zkEVM zu zkVM stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Bewältigung der Skalierbarkeitsherausforderungen der Blockchain dar. Während zkEVM die Grundlage schuf, bietet zkVM eine vielseitigere und skalierbarere Lösung mit dem Potenzial, die Anwendung der Blockchain-Technologie in verschiedenen Branchen grundlegend zu verändern.

Der Übergang zu zkVM ist zwar nicht ohne Herausforderungen, doch die Vorteile hinsichtlich plattformübergreifender Kompatibilität, Benutzerfreundlichkeit, Datenmanagement und Transaktionsverarbeitungsgeschwindigkeit machen ihn zu einem überzeugenden Fortschritt im Blockchain-Bereich. Mit der Weiterentwicklung von zkVM und seiner zunehmenden Etablierung in Blockchain-Ökosystemen können wir skalierbarere und effizientere Blockchain-Anwendungen erwarten, die das Potenzial haben, Branchen zu transformieren und das Leben von Menschen weltweit zu verbessern.