Come il percorso da zkEVM a zkVM ha migliorato la scalabilità della blockchain

La tecnologia Blockchain ha fatto molta strada dalla nascita del Bitcoin più di dieci anni fa. Sebbene le prime reti blockchain fossero rivoluzionarie nel loro approccio decentralizzato, hanno dovuto affrontare sfide significative, in particolare in termini di scalabilità. Poiché le applicazioni e i casi d’uso della blockchain continuano ad espandersi, trovare soluzioni ai problemi di scalabilità è diventata una priorità assoluta.

Uno dei progressi promettenti in questo ambito è la transizione da zkEVM (Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machine) a zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine), che ha il potenziale per migliorare drasticamente la scalabilità della blockchain. In questo articolo, approfondiremo il mondo di zkEVM, esploreremo i suoi limiti e capiremo come l'evoluzione verso zkVM porterà miglioramenti sostanziali nella scalabilità della blockchain.

L’ascesa delle prove di conoscenza zero (ZKP)

Le prove a conoscenza zero svolgono un ruolo fondamentale nella salvaguardia della privacy degli utenti su Internet, soprattutto mentre ci impegniamo per un’adozione diffusa sulla blockchain. Mantengono anche la promessa di risolvere le sfide computazionali. Attualmente, ci sono due strade principali per raggiungere questo obiettivo: zkEVM e zkVM. In questa esplorazione, approfondiremo entrambi gli approcci, valutandone vantaggi e svantaggi. Tuttavia, prima di addentrarci in questa analisi, è essenziale capire per cosa stiamo ottimizzando e perché la privacy riveste tale importanza.

Nel regno dell'evoluzione crittografica, proprio come nella controparte biologica, lo sviluppo dei tratti è guidato dall'obiettivo di ottimizzare risultati specifici. Bitcoin, ad esempio, ha dato priorità alla sicurezza sopra ogni altra cosa, riconoscendo che la valuta digitale decentralizzata doveva essere inequivocabilmente sicura prima di poter ottenere l’accettazione e un’adozione diffusa. Ethereum ha seguito un percorso simile, enfatizzando la sicurezza e introducendo un ulteriore livello: la programmabilità offerta daitracintelligenti.

Queste iterazioni nell'evoluzione crittografica tendono a svilupparsi l'una sull'altra, ciascuna apportando una serie unica di compromessi. Nel caso di Ethereum, ogni nodo è tenuto a rieseguire ogni transazione, presentando formidabili sfide computazionali che si traducono in commissioni elevate sul gas e velocità di transazione lente. La decisione di eseguire calcoli direttamente sulla blockchain è stata presa per migliorare la sicurezza e la trasparenza. Tuttavia, ha un costo: prestazioni e privacy compromesse.

I rollup sono emersi come soluzione per migliorare la scalabilità riducendo gli oneri computazionali associati a Ethereum. Sebbene inizino ad affrontare il problema delle prestazioni, non tengono conto dei problemi di privacy. Ciò è significativo perché la privacy si è evoluta in un prerequisito per le applicazioni che mirano ad espandere la propria base di utenti. Gli utenti richiedono sempre più un maggiore controllo sui propri dati e stanno diventando diffidenti nei confronti delle entità che cercano un accesso illimitato alle loro informazioni.

Gli sviluppatori di app hanno riconosciuto questa tendenza crescente verso la privacy e la sua necessità. Di conseguenza, hanno esplorato attivamente metodi per salvaguardare la privacy attraverso l’uso di prove a conoscenza zero (ZKP). Questi protocolli crittografici consentono agli utenti o alle applicazioni di verificare la verità di un'affermazione senza divulgare alcuna informazione aggiuntiva. Ad esempio, gli ZKP possono confermare che un utente ha più di 18 anni senza rivelare la sua età esatta o la data di nascita.

Come evidenziato nel rapporto State of Crypto del 2023 di a16z, l'adozione della tecnologia a prova di ZK da parte degli sviluppatori è destinata ad aumentare ulteriormente. Questa tendenza è guidata da un aumento delle pubblicazioni accademiche e da un numero crescente di transazioni giornaliere che implicano la verifica delle prove ZK sulla rete Ethereum . Lo slancio dietro gli ZKP dimostra la loro crescente importanza nella ricerca di equilibrio tra privacy, sicurezza e scalabilità nello spazio blockchain.

Comprendere zkVM

Il primo aspetto da defiè: cosa costituisce una macchina virtuale (VM)? In poche parole, una VM è un programma software in grado di eseguire altri programmi, in genere funzionando come un ciclo iterativo che esegue una serie specifica di istruzioni: queste istruzioni rappresentano "l'altro programma".

La Ethereum Virtual Machine (EVM), in particolare, funge da VM responsabile dell'esecuzione deitracintelligenti Ethereum . La raccolta originale delle istruzioni supportate e dei rispettivi comportamenti è stata delineata nel 2014 all'interno del fondamentale articolo giallo, contraddistinto non solo dalla sua importanza ma anche dal suo caratteristico colore giallo, scritto da Gavin Wood. Il documento mantiene uno stato di continui aggiornamenti, con l'obiettivo di riflettere l'attuale gamma di istruzioni supportate.

Una macchina virtuale a conoscenza zero (zk VM), d'altro canto, è essenzialmente una VM implementata come circuito all'interno di un sistema a prova di conoscenza zero (zkp). Ciò lo distingue dai sistemi zkp convenzionali che si concentrano prevalentemente sulla prova dell'esecuzione del programma. Nelle zkVM, l'enfasi si sposta sulla verifica dell'esecuzione della macchina virtuale stessa. Di conseguenza, alcuni individui fanno una distinzione, classificando gli zkps non VM come parte dell'approccio FPGA (Field-Programmable Gate Array), mentre considerano gli zkVM come componenti dell'approccio CPU (Central Processing Unit).

All'interno dei sistemi zkp, i programmi o i circuiti sono entità immutabili, proprio come i binari compilati da programmi specifici. Di conseguenza, un circuito zkVM incorpora effettivamente un numero predeterminato di iterazioni per il ciclo, che può essere paragonato allo srotolamento del ciclo. In sostanza, zkVM è un circuito progettato per eseguire una macchina virtuale. Le istruzioni del programma vero e proprio possono essere introdotte come input pubblico in questo circuito, consentendo la completa trasparenza riguardo al programma in verifica. (Esistono vari metodi per trasmettere le istruzioni del programma alla VM qualora si desideri esplorare ulteriori alternative.)

Sono emersi diversi progetti zkVM, con almeno tre sforzi degni di nota:

1. Cairo: utilizzato da Starknet, questo progetto è degno di nota per la sua carta meticolosa, considerata un'opera d'arte. Un'implementazione sperimentale nota come "turshi" è presente anche nel framework Kimchi.
2. Miden: un progetto in corso all'interno dell'ecosistema Polygon, Miden è attualmente in fase di sviluppo.
3. Risczero: un'altra iniziativa work-in-progress, Risczero mira a supportare il set di istruzioni RISC-V, uno standard ampiamente riconosciuto oltre il dominio blockchain.

Ciascuno di questi progetti ospita set di istruzioni distinti, rendendoli non interoperabili tra loro.

Tipi di zkVM

Il campo delle VM zk può essere classificato in due tipologie distinte:

1. VM ottimizzate per zk: esempi degni di nota includono Cairo e Miden. Queste VM sono progettate meticolosamente per dare priorità all'efficienza, rendendole significativamente più veloci. Il loro obiettivo principale è facilitare l’integrazione perfetta con i sistemi a prova di conoscenza zero (zkp), semplificando il processo di verifica.
2. VM del mondo reale: questa categoria comprende VM come RiscZero, che supporta il set di istruzioni RISC-V e vari zkEVM su misura per l' Ethereum Virtual Machine (EVM). Le VM del mondo reale hanno lo scopo di fornire compatibilità con set di istruzioni ed ecosistemi consolidati oltre il regno delle prove a conoscenza zero.

La motivazione che sta dietro al sostegno dell’EVM può essere attribuita a diverse ragioni convincenti. In primo luogo, per Ethereum stesso, consente la creazione di prove che abbracciano l’intera transizione dello stato, dallo stato di genesi all’ultimo stato Ethereum . Questa capacità è esemplificata da progetti come Mina.

In secondo luogo, per i progetti nonEthereum , l’adozione della compatibilità EVM offre il vantaggio di incorporare perfettamente progetti e applicazioni dall’ecosistema Ethereum , come Uniswap. Ciò non solo facilita l’interoperabilità, ma rappresenta anche un’opportunità pertracgli sviluppatori della comunità Ethereum verso nuovi progetti.

Meccanismo di zkVM

ZkVM, derivante dal nostro precedente lavoro su TxVM e influenzato dai progetti Bitcoin ed Ethereum , introduce un nuovo formato di transazione. In ZkVM, una transazione è rappresentata come un programma che manipola direttamente il flusso di risorse come oggetti di prima classe, aggiornando lo stato della blockchain tramite un registro delle transazioni. Questa separazione dell'applicazione del registro delle transazioni dalla convalida consente una progettazione altamente scalabile fornendo al contempo un ambiente robusto pertracpersonalizzati.

Per migliorare la scalabilità della blockchain e consentire trasferimenti di valoredent, ZkVM utilizza un modello UTXO (Unspent Transaction Output) per rappresentare i saldi. Tutti i saldi sono espressi come insiemi di output non spesi (UTXO), che possono essere creati, distrutti e manipolati all'interno delle transazioni. Questi UTXO vengono archiviati in modo efficiente come radici Merkle utilizzando lo schema Utreexo, riducendo significativamente i requisiti di archiviazione e facilitando un'implementazione più ampia di nodi con convalida completa.

In ZkVM, ogni output è untracmemorizzato nello stato blockchain, contenente più elementi protetti da un predicato, una condizione che deve essere soddisfatta per sbloccare questi elementi. ZkVM utilizza un design basato su Taproot, consentendo di sbloccare itractramite firme crittografiche o eseguendo un sottoprogramma incorporato che verifica le condizioni personalizzate.

Itracin ZkVM fungono da versatili elementi costitutivi per protocolli di livello superiore come conti, registri degli ordini e canali di pagamento. Questa flessibilità consente a piattaforme come Stellar di spostare le scelte di progettazione del protocollo lontano dallo strato critico per il consenso, promuovendo la sperimentazione con un’ampia gamma di applicazioni decentralizzate.

Per quanto riguarda ladent, ZkVM raggiunge un equilibrio utilizzando lo schema Taproot nei predicati. Non è necessario che la logica deltracvenga rivelata se tutte le parti cooperano, ma la sicurezza rimane intatta se non lo fanno. Anche quando la logicatracdeve essere divulgata, dati come i saldi e i parametritracrimangonodenta causa di un sistema di vincoli verificati a conoscenza zero.

ZkVM sfrutta il sistema di prova a conoscenza zero Bulletproofs, crittografando valori e dati per impostazione predefinita come impegni Pedersen. Gli utenti possono specificare espressioni aritmetiche e logiche su valori segreti, che vengonomatictrasformati in un sistema di vincoli Bulletproof. Le transazioni sono compatte ed efficienti, con piccole transazioni di dimensioni comprese tra 1 e 1,5 KB e pagamenti aggregati che comportano un costo marginale di soli 200 byte per coppia input-output. La verifica è altamente parallelizzabile e richiede solo circa 1 millisecondo per output. Questa efficienza consente a ZkVM di dare priorità alla sicurezza senza compromettere la crittografia dei dati, garantendo che i dati vengano rivelati esclusivamente alle parti autorizzate in base alla necessità di conoscerli. Inoltre, il framework Bulletproofs elimina la necessità di una configurazione affidabile, consentendo la creazione di nuovi protocolli su ZkVM senza la necessità di aggiornamenti a livello di rete per ciascuna funzionalità.

La necessità di passare da zkEVM a zkVM

Limitazioni di zkEVM

Sebbene zkEVM abbia introdotto miglioramenti significativi, presentava ancora alcune limitazioni che ne ostacolavano il potenziale di scalabilità:

1. Compatibilità limitata: zkEVM è stato progettato principalmente per la rete Ethereum . Ciò significava che altre piattaforme blockchain non potevano adottare prontamente la tecnologia, limitandone l’impatto più ampio sull’ecosistema blockchain.
2. Complessità: l'implementazione di zkEVM ha richiesto una profonda conoscenza delle prove a conoscenza zero e della crittografia. Questa complessità ha reso difficile per gli sviluppatori incorporare zkEVM nei loro progetti, limitandone ulteriormente l'adozione.
3. Sfide di archiviazione e dati: zkEVM non ha affrontato in modo efficace il problema dell’archiviazione dei dati sulla blockchain. I requisiti di archiviazione di dati di grandi dimensioni sono rimasti un collo di bottiglia per la scalabilità.

La transizione a zkVM: una svolta in termini di scalabilità

Riconoscendo i limiti di zkEVM, la comunità blockchain ha intrapreso un viaggio per sviluppare una soluzione più versatile e scalabile, portando alla nascita di zkVM, o Zero-Knowledge Virtual Machine.

zkVM si basa sui principi fondamentali di zkEVM affrontandone i difetti. Esploriamo come zkVM è pronto a rivoluzionare la scalabilità della blockchain:

1. Compatibilità multipiattaforma: a differenza di zkEVM, zkVM è progettato per essere indipendente dalla blockchain. Ciò significa che può essere integrato in varie reti blockchain, non limitate a Ethereum. Questa più ampia compatibilità apre le porte a zkVM per avere un impatto più significativo sull’intero ecosistema blockchain.
2. Esperienza utente migliorata: zkVM mira a semplificare il processo di implementazione per gli sviluppatori. Offrendo strumenti e interfacce intuitivi, zkVM rende più semplice per gli sviluppatori sfruttare la potenza delle dimostrazioni a conoscenza zero, riducendo la barriera all'ingresso.
3. Gestione avanzata dei dati: zkVM affronta il problema dell'archiviazione dei dati in modo più efficace. Introduce tecniche innovative per la compressione e l’archiviazione dei dati, riducendo i requisiti di archiviazione sulla blockchain. Questa ottimizzazione ha un impatto positivo diretto sulla scalabilità diminuendo la dimensione dei dati della blockchain.
4. Elaborazione delle transazioni più rapida: con le capacità di calcolo off-chain di zkVM, il carico computazionale sulla rete blockchain viene ulteriormente ridotto. Ciò porta a tempi di elaborazione delle transazioni più rapidi, commissioni più basse e prestazioni complessive migliorate.

Per cosa stiamo ottimizzando?

Lockheed Martin si è imbarcato nell'ambizioso compito di creare l'F-35, immaginandolo come un aereo da caccia versatile in grado di sostituire i caccia specializzati aria-aria e aria-terra. Tuttavia, questo sforzo ha incontrato battute d’arresto significative, rimanendo indietro di un decennio rispetto al programma previsto e guadagnandosi la reputazione tra gli esperti del settore come uno degli aerei da combattimento meno riusciti mai prodotti.

Il punto chiave di questa esperienza è che quando un sistema è progettato con uno scopo specifico in mente, spesso eccelle nello svolgere quel particolare ruolo rispetto a una soluzione che tenta di ottimizzare per più obiettivi contemporaneamente.

Facendo un parallelo con il regno della blockchain, Ethereum è stato inizialmente concepito come una piattaforma completamente pubblica e trasparente. Se si tenta di introdurre funzionalità di privacy in una blockchain di questo tipo, è improbabile che si ottenga lo stesso livello di prestazioni di un sistema progettato con la privacy come principio fondamentale fin dal suo inizio. Ciò presenta sfide ingegneristiche, poiché gli sviluppatori devono adattare programmi che non erano originariamente destinati a funzionare in questo contesto, portando alla creazione di circuiti complessi e ingombranti.

Tuttavia, l’approccio alternativo prevede lo sviluppo di un livello applicativo appositamente progettato specificamente per la privacy. Questo approccio consente l’ottimizzazione delle funzionalità legate alla privacy raccogliendo al contempo i vantaggi offerti dalle dimostrazioni a conoscenza zero, un argomento che approfondiremo nella sezione seguente.

Applicazioni del mondo reale di zkVM e zkEVM

Sia zkEVM che zkVM trovano applicazioni in vari domini, promettendo di rimodellare le industrie e i casi d'uso della blockchain:

• Rivoluzione DeFi : le piattaforme di finanza decentralizzata ( DeFi ) possono sfruttare zkVM e zkEVM per migliorare la velocità delle transazioni, ridurre le commissioni e proteggere i dati finanziari sensibili.
• Trasformazione della catena di fornitura con zkVM e zkEVM è possibile migliorare la trasparenza e trac
• Sicurezza dei dati sanitari : zkEVM e zkVM possono garantire la privacy e la sicurezza dei dati sanitari, consentendo la condivisione sicura delle informazioni tra le parti autorizzate.
• Giochi e NFT : il settore dei giochi e i mercati dei token non fungibili (NFT) possono trarre vantaggio da transazioni più veloci e dalla gestione sicura dei dati forniti da zkVM e zkEVM.

Il futuro di zkVM e la scalabilità della Blockchain

Man mano che zkVM guadagna tracnello spazio blockchain, ha il potenziale per affrontare i problemi di scalabilità di lunga data che hanno limitato l’adozione e la crescita della blockchain. Tuttavia, come ogni tecnologia emergente, ci sono sfide da superare e considerazioni da tenere a mente:

1. Ostacoli all'adozione: sebbene la compatibilità di zkVM con varie blockchain rappresenti un vantaggio significativo, l'adozione diffusa dipenderà comunque dalla volontà dei progetti blockchain di integrare questa tecnologia nelle loro reti.
2. Preoccupazioni per la sicurezza: le prove a conoscenza zero introducono tecniche crittografiche complesse e qualsiasi vulnerabilità potrebbe comportare rischi significativi per la sicurezza. Il controllo continuo e il miglioramento delle implementazioni zkVM sono cruciali per mantenere la fiducia degli utenti.
3. Panorama normativo: man mano che la tecnologia blockchain si evolve, continuerà ad essere sottoposta al controllo normativo. Resta da vedere come le autorità di regolamentazione tratteranno le prove a conoscenza zero e le loro applicazioni, il che potrebbe avere un impatto sulla futura adozione di zkVM.

Conclusione

Il viaggio da zkEVM a zkVM rappresenta un significativo passo avanti nell'affrontare le sfide della scalabilità della blockchain. Mentre zkEVM ha gettato le basi, zkVM offre una soluzione più versatile e scalabile che ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui la tecnologia blockchain viene utilizzata in vari settori.

La transizione a zkVM non è priva di sfide, ma i vantaggi che apporta in termini di compatibilità multipiattaforma, facilità d'uso, gestione dei dati e velocità di elaborazione delle transazioni ne fanno un progresso convincente nello spazio blockchain. Man mano che zkVM continua ad evolversi e a trovare il suo posto negli ecosistemi blockchain, possiamo aspettarci di vedere applicazioni blockchain più scalabili ed efficienti che hanno il potenziale per trasformare le industrie e migliorare la vita delle persone in tutto il mondo.