Cómo el camino de zkEVM a zkVM mejoró la escalabilidad de la cadena de bloques

La tecnología blockchain ha avanzado mucho desde la creación de Bitcoin hace más de una década. Si bien las redes blockchain iniciales fueron pioneras en su enfoque descentralizado, se enfrentaron a importantes desafíos, especialmente en términos de escalabilidad. A medida que las aplicaciones y los casos de uso de blockchain continúan expandiéndose, encontrar soluciones a los problemas de escalabilidad se ha convertido en una prioridad absoluta.

Uno de los avances más prometedores en este ámbito es la transición de zkEVM (Máquina Virtual Ethereum de Conocimiento Cero) a zkVM (Máquina Virtual de Conocimiento Cero), que tiene el potencial de mejorar drásticamente la escalabilidad de la cadena de bloques. En este artículo, profundizaremos en el mundo de zkEVM, exploraremos sus limitaciones y comprenderemos cómo la evolución a zkVM traerá mejoras sustanciales en la escalabilidad de la cadena de bloques.

El auge de las pruebas de conocimiento cero (PCE)

Las pruebas de conocimiento cero desempeñan un papel fundamental en la protección de la privacidad del usuario en internet, especialmente en nuestro esfuerzo por lograr su adopción generalizada en la cadena de bloques. Además, prometen resolver los desafíos computacionales. Actualmente, existen dos vías principales para lograrlo: las zkEVM y las zkVM. En este análisis, profundizaremos en ambos enfoques, sopesando sus ventajas y desventajas. Sin embargo, antes de profundizar en este análisis, es fundamental comprender qué optimizamos y por qué la privacidad es tan importante.

En el ámbito de la evolución criptográfica, al igual que en su contraparte biológica, el desarrollo de rasgos se guía por el objetivo de optimizar resultados específicos. Bitcoin, por ejemplo, priorizó la seguridad por encima de todo, reconociendo que la moneda digital descentralizada debía ser inequívocamente segura para su aceptación y adopción generalizada. Ethereum siguió un camino similar, priorizando la seguridad a la vez que introducía una capa adicional: la programabilidad que ofrecen lostracinteligentes.

Estas iteraciones en la evolución criptográfica tienden a complementarse entre sí, cada una con sus propias desventajas. En el caso de Ethereum, cada nodo debe reejecutar cada transacción, lo que presenta enormes desafíos computacionales que resultan en altas comisiones de gas y velocidades de transacción lentas. La decisión de realizar los cálculos directamente en la cadena de bloques se tomó para mejorar la seguridad y la transparencia. Sin embargo, esto tiene un costo: comprometer el rendimiento y la privacidad.

Los rollups surgieron como una solución para mejorar la escalabilidad al reducir la carga computacional asociada a Ethereum. Si bien comienzan a abordar el problema de rendimiento, no consideran las preocupaciones sobre la privacidad. Esto es importante porque la privacidad se ha convertido en un requisito indispensable para las aplicaciones que buscan ampliar su base de usuarios. Los usuarios exigen cada vez más control sobre sus datos y desconfían de las entidades que buscan acceso ilimitado a su información.

Los desarrolladores de aplicaciones han reconocido esta creciente tendencia hacia la privacidad y su necesidad. Por ello, han estado explorando activamente métodos para protegerla mediante el uso de pruebas de conocimiento cero (PCE). Estos protocolos criptográficos permiten a los usuarios o aplicaciones verificar la veracidad de una declaración sin revelar información adicional. Por ejemplo, las PCE pueden confirmar que un usuario es mayor de 18 años sin revelar su edad exacta ni su fecha de nacimiento.

Como se destaca en el informe "Estado de las Criptomonedas 2023" de a16z, se prevé que la adopción de la tecnología ZK-proof por parte de los desarrolladores siga en aumento. Esta tendencia se debe al aumento de publicaciones académicas y al creciente número de transacciones diarias que implican la verificación de ZK-proof en la red Ethereum . El impulso de las ZKP demuestra su creciente importancia en la búsqueda del equilibrio entre privacidad, seguridad y escalabilidad en el ámbito blockchain.

Entendiendo zkVM

El primer aspecto que necesita defies: ¿qué constituye una máquina virtual (VM)? En resumen, una VM es un programa de software capaz de ejecutar otros programas, funcionando típicamente como un bucle iterativo que ejecuta un conjunto específico de instrucciones; estas instrucciones representan al "otro programa"

La Máquina Virtual Ethereum (EVM), en concreto, actúa como la máquina virtual responsable de ejecutar lostracinteligentes Ethereum . La compilación original de las instrucciones compatibles y sus respectivos comportamientos se describió en 2014 en el influyente documento amarillo —distinguido no solo por su importancia, sino también por su distintivo color amarillo—, escrito por Gavin Wood. El documento se actualiza constantemente para reflejar la gama actual de instrucciones compatibles.

Por otro lado, una máquina virtual de conocimiento cero (VM zk) es esencialmente una VM implementada como un circuito dentro de un sistema de prueba de conocimiento cero (zkp). Esto la distingue de los sistemas zkp convencionales, que se centran principalmente en verificar la ejecución del programa. En las zkVM, el énfasis se centra en verificar la ejecución de la propia máquina virtual. Por consiguiente, algunos distinguen las zkps no VM como parte del enfoque FPGA (Field-Programmable Gate Array), mientras que las zkVM forman parte del enfoque CPU (Central Processing Unit).

En los sistemas zkp, los programas o circuitos son entidades inmutables, similares a los binarios compilados a partir de programas específicos. Por consiguiente, un circuito zkVM representa un número predeterminado de iteraciones para el bucle, lo que puede compararse con el desenrollado del bucle. En esencia, un zkVM es un circuito diseñado para ejecutar una máquina virtual. Las instrucciones del programa real pueden introducirse como entrada pública en este circuito, lo que permite una transparencia total respecto a la verificación del programa. (Existen varios métodos para transmitir las instrucciones del programa a la máquina virtual si se desean explorar otras alternativas)

Han surgido varios proyectos zkVM, con al menos tres iniciativas notables:

1. Cairo: Utilizado por Starknet, este proyecto destaca por su meticuloso trabajo, considerado una obra de arte. Una implementación experimental conocida como "turshi" también se incluye en el marco Kimchi.
2. Miden: Un proyecto en progreso dentro del ecosistema Polygon, Miden se encuentra actualmente en desarrollo.
3. Risczero: Otra iniciativa en progreso, Risczero tiene como objetivo respaldar el conjunto de instrucciones RISC-V, un estándar ampliamente reconocido más allá del dominio blockchain.

Cada uno de estos proyectos admite conjuntos de instrucciones distintos, lo que los hace no interoperables entre sí.

Tipos de zkVM

El campo de las máquinas virtuales zk se puede clasificar en dos tipos distintos:

1. Máquinas virtuales optimizadas para zk: Ejemplos destacados son Cairo y Miden. Estas máquinas virtuales están meticulosamente diseñadas para priorizar la eficiencia, lo que las hace significativamente más rápidas. Su objetivo principal es facilitar la integración fluida con sistemas de prueba de conocimiento cero (zkp), agilizando así el proceso de verificación.
2. Máquinas virtuales del mundo real: Esta categoría abarca máquinas virtuales como RiscZero, compatible con el conjunto de instrucciones RISC-V, y varias zkEVM adaptadas a la Máquina Virtual Ethereum (EVM). Las máquinas virtuales del mundo real están diseñadas para proporcionar compatibilidad con conjuntos de instrucciones y ecosistemas establecidos, más allá del ámbito de las pruebas de conocimiento cero.

La motivación para apoyar la EVM se debe a varias razones convincentes. En primer lugar, para Ethereum , permite la creación de pruebas que abarcan toda la transición de estado, desde el estado génesis hasta el estado más reciente Ethereum . Esta capacidad se ejemplifica en proyectos como Mina.

En segundo lugar, para proyectos que no utilizanEthereum , la adopción de la compatibilidad con EVM ofrece la ventaja de integrar sin problemas proyectos y aplicaciones del ecosistema Ethereum , como Uniswap. Esto no solo facilita la interoperabilidad, sino que también representa una oportunidad paratraca desarrolladores de la comunidad Ethereum a nuevos proyectos.

Mecanismo de zkVM

ZkVM, derivado de nuestro trabajo previo en TxVM e influenciado por los diseños Bitcoin y Ethereum , introduce un novedoso formato de transacción. En ZkVM, una transacción se representa como un programa que manipula directamente el flujo de activos como objetos de primera clase, actualizando el estado de la cadena de bloques mediante un registro de transacciones. Esta separación entre la aplicación del registro de transacciones y la validación permite un diseño altamente escalable, a la vez que proporciona un entorno robusto paratracpersonalizados.

Para mejorar la escalabilidad de la cadena de bloques y permitir transferencias de valordent, ZkVM emplea un modelo UTXO (Salida de Transacción No Gastada) para representar los saldos. Todos los saldos se expresan como conjuntos de salidas no gastadas (UTXO), que pueden crearse, destruirse y manipularse dentro de las transacciones. Estas UTXO se almacenan eficientemente como raíces Merkle mediante el esquema Utreexo, lo que reduce significativamente los requisitos de almacenamiento y facilita una implementación más amplia de nodos con validación completa.

En ZkVM, cada salida es untracalmacenado en el estado de la cadena de bloques, que contiene múltiples elementos protegidos por un predicado (una condición que debe cumplirse para desbloquearlos). ZkVM utiliza un diseño basado en Taproot, lo que permite desbloqueartracmediante firmas criptográficas o ejecutando un subprograma integrado que verifica condiciones personalizadas.

Lostracen ZkVM sirven como bloques de construcción versátiles para protocolos de alto nivel, como cuentas, libros de órdenes y canales de pago. Esta flexibilidad permite a plataformas como Stellar trasladar las decisiones de diseño de protocolos más allá de la capa crítica para el consenso, lo que promueve la experimentación con una amplia gama de aplicaciones descentralizadas.

En cuanto adent, ZkVM logra un equilibrio mediante el esquema Taproot en los predicados. No es necesario revelar la lógica deltracsi todas las partes cooperan, pero la seguridad se mantiene intacta si no lo hacen. Incluso cuando es necesario revelar la lógica deltrac, datos como los saldos y los parámetros deltracse mantienendentgracias a un sistema de restricciones verificado de conocimiento cero.

ZkVM aprovecha el sistema de verificación de conocimiento cero Bulletproofs, que cifra valores y datos por defecto como compromisos de Pedersen. Los usuarios pueden especificar expresiones aritméticas y lógicas sobre valores secretos, que se transformanmaticen un sistema de restricciones de Bulletproofs. Las transacciones son compactas y eficientes: las pequeñas transacciones de entre 1 y 1,5 KB y los pagos agregados tienen un coste marginal de tan solo 200 bytes por par de entrada-salida. La verificación es altamente paralelizable, con una duración de tan solo 1 milisegundo por salida. Esta eficiencia permite a ZkVM priorizar la seguridad sin comprometer el cifrado de datos, garantizando que los datos se revelen únicamente a las partes autorizadas según la necesidad. Además, el framework Bulletproofs elimina la necesidad de una configuración de confianza, lo que permite la creación de nuevos protocolos sobre ZkVM sin necesidad de actualizaciones de toda la red para cada función.

La necesidad de la transición de zkEVM a zkVM

Limitaciones de zkEVM

Si bien zkEVM introdujo mejoras significativas, aún tenía algunas limitaciones que obstaculizaban su potencial de escalabilidad:

1. Compatibilidad limitada: zkEVM se diseñó principalmente para la red Ethereum . Esto impidió que otras plataformas blockchain adoptaran fácilmente la tecnología, lo que limitó su impacto en el ecosistema blockchain.
2. Complejidad: Implementar zkEVM requería un profundo conocimiento de las pruebas de conocimiento cero y la criptografía. Esta complejidad dificultó a los desarrolladores incorporar zkEVM en sus proyectos, lo que limitó aún más su adopción.
3. Desafíos de almacenamiento y datos: zkEVM no abordó eficazmente el problema del almacenamiento de datos en la cadena de bloques. Los grandes requisitos de almacenamiento de datos siguieron siendo un obstáculo para la escalabilidad.

La transición a zkVM: un avance en escalabilidad

Al reconocer las limitaciones de zkEVM, la comunidad blockchain se embarcó en un viaje para desarrollar una solución más versátil y escalable, lo que condujo al nacimiento de zkVM, o máquina virtual de conocimiento cero.

zkVM se basa en los principios fundamentales de zkEVM, a la vez que soluciona sus deficiencias. Exploremos cómo zkVM está listo para revolucionar la escalabilidad de la blockchain:

1. Compatibilidad multiplataforma: A diferencia de zkEVM, zkVM está diseñado para ser independiente de la blockchain. Esto significa que puede integrarse en diversas redes blockchain, no solo en Ethereum. Esta mayor compatibilidad permite que zkVM tenga un impacto más significativo en todo el ecosistema blockchain.
2. Experiencia de usuario mejorada: zkVM busca simplificar el proceso de implementación para los desarrolladores. Al ofrecer herramientas e interfaces intuitivas, zkVM facilita a los desarrolladores aprovechar el potencial de las pruebas de conocimiento cero, reduciendo así las barreras de entrada.
3. Gestión de datos mejorada: zkVM aborda el problema del almacenamiento de datos de forma más eficaz. Introduce técnicas innovadoras de compresión y almacenamiento de datos, reduciendo los requisitos de almacenamiento en la cadena de bloques. Esta optimización tiene un impacto positivo directo en la escalabilidad al reducir el tamaño de los datos de la cadena de bloques.
4. Procesamiento de transacciones más rápido: Gracias a las capacidades de computación fuera de la cadena de bloques de zkVM, la carga computacional en la red blockchain se reduce aún más. Esto se traduce en tiempos de procesamiento de transacciones más rápidos, comisiones más bajas y un mejor rendimiento general.

¿Qué estamos optimizando?

Lockheed Martin se embarcó en la ambiciosa tarea de crear el F-35, concibiéndolo como un avión de combate versátil capaz de reemplazar a los cazas especializados aire-aire y aire-tierra. Sin embargo, este proyecto ha experimentado importantes contratiempos, con un retraso de una década respecto al cronograma previsto y ganándose la reputación, entre los expertos de la industria, de ser uno de los aviones de combate menos exitosos jamás fabricados.

La principal conclusión de esta experiencia es que cuando un sistema está diseñado con un propósito específico en mente, a menudo se destaca en el cumplimiento de esa función particular en comparación con una solución que intenta optimizar múltiples objetivos simultáneamente.

Paralelamente al mundo de la cadena de bloques, Ethereum se concibió inicialmente como una plataforma totalmente pública y transparente. Si se intenta introducir características de privacidad en una cadena de bloques de este tipo, es improbable que se alcance el mismo nivel de rendimiento que un sistema diseñado con la privacidad como principio fundamental desde su concepción. Esto presenta desafíos de ingeniería, ya que los desarrolladores deben adaptar programas que no estaban originalmente pensados ​​para funcionar en este contexto, lo que lleva a la creación de circuitos complejos y difíciles de manejar.

Sin embargo, el enfoque alternativo implica el desarrollo de una capa de aplicación diseñada específicamente para la privacidad. Este enfoque permite optimizar las funcionalidades relacionadas con la privacidad, aprovechando al mismo tiempo las ventajas de las pruebas de conocimiento cero, un tema que profundizaremos en la siguiente sección.

Aplicaciones reales de zkVM y zkEVM

Tanto zkEVM como zkVM encuentran aplicaciones en varios dominios y prometen transformar industrias y casos de uso de blockchain:

• DeFi Revolución: las plataformas de finanzas descentralizadas (DeFi) pueden aprovechar zkVM y zkEVM para mejorar la velocidad de las transacciones, reducir las tarifas y proteger datos financieros confidenciales.
• Transformación de la cadena de suministromejorar la transparencia y traccon zkVM y zkEVM es posible
• Seguridad de datos de atención médica: zkEVM y zkVM pueden garantizar la privacidad y seguridad de los datos de atención médica, lo que permite compartir información de forma segura entre partes autorizadas.
• Juegos y NFT: la industria de los juegos y los mercados de tokens no fungibles (NFT) pueden beneficiarse de las transacciones más rápidas y el manejo seguro de datos que ofrecen zkVM y zkEVM.

El futuro de zkVM y la escalabilidad de blockchain

A medida que zkVM gana tracen el ámbito blockchain, tiene el potencial de abordar los problemas de escalabilidad que han limitado la adopción y el crecimiento de blockchain. Sin embargo, como cualquier tecnología emergente, existen desafíos que superar y consideraciones que tener en cuenta:

1. Obstáculos de adopción: si bien la compatibilidad de zkVM con varias cadenas de bloques es una ventaja significativa, su adopción generalizada aún dependerá de la voluntad de los proyectos de cadenas de bloques de integrar esta tecnología en sus redes.
2. Preocupaciones de seguridad: Las pruebas de conocimiento cero introducen técnicas criptográficas complejas, y cualquier vulnerabilidad podría suponer riesgos de seguridad significativos. La auditoría y la mejora continuas de las implementaciones de zkVM son cruciales para mantener la confianza de los usuarios.
3. Panorama regulatorio: A medida que la tecnología blockchain evoluciona, seguirá enfrentándose al escrutinio regulatorio. Queda por ver cómo los reguladores tratarán las pruebas de conocimiento cero y sus aplicaciones, lo que podría afectar la futura adopción de zkVM.

Conclusión

La transición de zkEVM a zkVM representa un avance significativo para abordar los desafíos de escalabilidad de blockchain. Si bien zkEVM sentó las bases, zkVM ofrece una solución más versátil y escalable con el potencial de revolucionar el uso de la tecnología blockchain en diversas industrias.

La transición a zkVM no está exenta de desafíos, pero sus beneficios en términos de compatibilidad multiplataforma, facilidad de uso, gestión de datos y velocidad de procesamiento de transacciones lo convierten en un avance convincente en el ámbito blockchain. A medida que zkVM continúa evolucionando y encontrando su lugar en los ecosistemas blockchain, podemos esperar ver aplicaciones blockchain más escalables y eficientes con el potencial de transformar industrias y mejorar la vida de las personas en todo el mundo.