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

La tecnologia blockchain ha fatto molta strada dalla nascita di Bitcoin , più di un decennio fa. Sebbene le prime reti blockchain fossero rivoluzionarie per il loro approccio decentralizzato, hanno dovuto affrontare sfide significative, in particolare in termini di scalabilità. Con la continua espansione delle applicazioni e dei casi d'uso della blockchain, trovare soluzioni ai problemi di scalabilità è diventata una priorità assoluta.

Uno dei progressi più 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, ne esploreremo i limiti e comprenderemo come l'evoluzione verso zkVM porterà miglioramenti sostanziali nella scalabilità della blockchain.

L'ascesa delle prove a conoscenza zero (ZKP)

Le dimostrazioni a conoscenza zero svolgono un ruolo fondamentale nella tutela della privacy degli utenti su Internet, soprattutto ora che ci impegniamo per un'adozione diffusa sulla blockchain. Promettono anche di risolvere le sfide computazionali. Attualmente, esistono 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 comprendere per cosa stiamo ottimizzando e perché la privacy riveste tale importanza.

Nell'ambito 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 accettazione e adozione diffusa. Ethereum ha seguito un percorso simile, enfatizzando la sicurezza e introducendo un ulteriore livello: la programmabilità offerta dagli smarttrac.

Queste iterazioni nell'evoluzione crittografica tendono a sovrapporsi l'una all'altra, ciascuna con i propri compromessi. Nel caso di Ethereum, ogni nodo è tenuto a rieseguire ogni transazione, il che presenta notevoli sfide computazionali che si traducono in commissioni elevate per il gas e velocità di transazione lente. La decisione di eseguire i 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 una soluzione per migliorare la scalabilità riducendo gli oneri computazionali associati a Ethereum. Sebbene inizino ad affrontare il problema delle prestazioni, non tengono conto delle preoccupazioni relative alla privacy. Questo è significativo perché la privacy è diventata un prerequisito per le applicazioni che mirano ad ampliare la propria base di utenti. Gli utenti richiedono sempre più un maggiore controllo sui propri dati e stanno diventando diffidenti nei confronti di entità che cercano un accesso illimitato alle loro informazioni.

Gli sviluppatori di app hanno riconosciuto questa crescente tendenza 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 veridicità di un'affermazione senza divulgare ulteriori informazioni. Ad esempio, le ZKP possono confermare che un utente ha più di 18 anni senza rivelare la sua età esatta o la sua data di nascita.

Come evidenziato nel rapporto "State of Crypto" di a16z del 2023, l'adozione della tecnologia ZK-proof da parte degli sviluppatori è destinata ad aumentare ulteriormente. Questa tendenza è guidata da un'impennata di pubblicazioni accademiche e da un numero crescente di transazioni giornaliere che prevedono la verifica delle ZK proof sulla rete Ethereum . L'entusiasmo per le ZKP dimostra la loro crescente importanza nella ricerca di un equilibrio tra privacy, sicurezza e scalabilità nel settore blockchain.

Capire 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 un insieme specifico di istruzioni, che rappresentano l'"altro programma"

In particolare, la Ethereum Virtual Machine (EVM) funge da VM responsabile dell'esecuzione degli smarttracEthereum . La compilazione originale delle istruzioni supportate e dei rispettivi comportamenti è stata delineata nel 2014 nel fondamentale documento giallo, contraddistinto non solo per la sua importanza ma anche per il suo caratteristico colore giallo, scritto da Gavin Wood. Il documento è in continuo aggiornamento, con l'obiettivo di riflettere l'attuale gamma di istruzioni supportate.

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

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

Sono emersi diversi progetti zkVM, tra cui almeno tre iniziative degne di nota:

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

1. VM ottimizzate per zk: esempi degni di nota includono Cairo e Miden. Queste VM sono meticolosamente progettate per dare priorità all'efficienza, rendendole significativamente più veloci. Il loro obiettivo principale è facilitare l'integrazione senza soluzione di continuità con i sistemi a prova di conoscenza zero (zkp), semplificando il processo di verifica.
2. VM reali: questa categoria comprende VM come RiscZero, che supporta il set di istruzioni RISC-V, e varie zkEVM progettate appositamente per la Ethereum Virtual Machine (EVM). Le VM reali sono progettate per garantire la compatibilità con set di istruzioni ed ecosistemi consolidati, al di là dell'ambito delle dimostrazioni a conoscenza zero.

La motivazione alla base del supporto all'EVM può essere attribuita a diverse ragioni convincenti. In primo luogo, per Ethereum stesso, consente la creazione di prove che comprendono l'intera transizione di stato, dallo stato di genesi allo stato più recente 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 integrare senza problemi progetti e applicazioni dell'ecosistema Ethereum , come Uniswap. Ciò non solo facilita l'interoperabilità, ma rappresenta anche un'opportunità pertracsviluppatori della community 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 asset come oggetti di prima classe, aggiornando lo stato della blockchain tramite un registro delle transazioni. Questa separazione tra l'applicazione del registro delle transazioni e la convalida consente un design 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 root Merkle utilizzando lo schema Utreexo, riducendo significativamente i requisiti di archiviazione e facilitando una più ampia distribuzione di nodi completamente convalidati.

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

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

Per quanto riguarda ladent, ZkVM trova un equilibrio utilizzando lo schema Taproot nei predicati. La logica deltracnon deve essere rivelata se tutte le parti collaborano, ma la sicurezza rimane intatta se non lo fanno. Anche quando la logicatracdeve essere divulgata, dati come saldi e parametri deltracrimangonodentgrazie a un sistema di vincoli verificati a conoscenza zero.

ZkVM sfrutta il sistema di verifica a conoscenza zero di Bulletproofs, crittografando valori e dati per impostazione predefinita come impegni Pedersen. Gli utenti possono specificare espressioni aritmetiche e logiche sui valori segreti, che vengonomatictrasformati in un sistema di vincoli Bulletproofs. 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, richiedendo 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 al principio "need-to-know". Inoltre, il framework Bulletproofs elimina la necessità di una configurazione affidabile, consentendo la creazione di nuovi protocolli su ZkVM senza richiedere 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 significa che altre piattaforme blockchain non hanno potuto adottare facilmente la tecnologia, limitandone l'impatto più ampio sull'ecosistema blockchain.
2. Complessità: l'implementazione di zkEVM richiedeva una profonda conoscenza delle dimostrazioni a conoscenza zero e della crittografia. Questa complessità ha reso difficile per gli sviluppatori integrare zkEVM nei loro progetti, limitandone ulteriormente l'adozione.
3. Sfide relative a archiviazione e dati: zkEVM non ha affrontato efficacemente il problema dell'archiviazione dei dati sulla blockchain. Gli elevati requisiti di archiviazione dei dati continuavano a rappresentare 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 percorso per sviluppare una soluzione più versatile e scalabile, che ha portato alla nascita di zkVM, o Zero-Knowledge Virtual Machine.

zkVM si basa sui principi fondamentali di zkEVM, affrontandone però le carenze. Scopriamo 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 diverse reti blockchain, non solo in Ethereum. Questa maggiore compatibilità apre le porte a un impatto più significativo di zkVM 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 consente agli sviluppatori di sfruttare più facilmente la potenza delle dimostrazioni a conoscenza zero, riducendo le barriere all'ingresso.
3. Gestione dei dati migliorata: 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, riducendo le dimensioni dei dati della blockchain.
4. Elaborazione delle transazioni più rapida: grazie alle capacità di calcolo off-chain di zkVM, il carico computazionale sulla rete blockchain viene ulteriormente ridotto. Ciò si traduce in tempi di elaborazione delle transazioni più rapidi, commissioni più basse e prestazioni complessive migliori.

Per cosa stiamo ottimizzando?

Lockheed Martin si è imbarcata nell'ambizioso progetto di creare l'F-35, immaginandolo come un jet da combattimento versatile in grado di sostituire i caccia specializzati aria-aria e aria-terra. Tuttavia, questo progetto ha incontrato notevoli ostacoli, ritardando di un decennio la sua realizzazione e guadagnandosi la reputazione, tra gli esperti del settore, di essere uno dei jet da combattimento meno riusciti mai prodotti.

La lezione più importante che si può trarre da questa esperienza è che quando un sistema viene progettato con uno scopo specifico in mente, spesso eccelle nello svolgere quel ruolo specifico rispetto a una soluzione che cerca di ottimizzare più obiettivi contemporaneamente.

Facendo un parallelo con il mondo 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 raggiunga lo stesso livello di prestazioni di un sistema progettato con la privacy come principio fondamentale fin dall'inizio. Ciò presenta sfide ingegneristiche, poiché gli sviluppatori devono adattare programmi che originariamente non erano pensati per funzionare in questo contesto, portando alla creazione di circuiti complessi e poco maneggevoli.

Tuttavia, l'approccio alternativo prevede lo sviluppo di un livello applicativo appositamente progettato per la privacy. Questo approccio consente di ottimizzare le funzionalità relative alla privacy, sfruttando al contempo i vantaggi offerti dalle dimostrazioni a conoscenza zero, un argomento che approfondiremo nella sezione seguente.

Applicazioni reali di zkVM e zkEVM

Sia zkEVM che zkVM trovano applicazione in vari ambiti, promettendo di rimodellare i settori e i casi d'uso della blockchain:

• DeFi Rivoluzione: le piattaforme di finanza decentralizzata (DeFi) possono sfruttare zkVM e zkEVM per aumentare la velocità delle transazioni, ridurre le commissioni e proteggere i dati finanziari sensibili.
• Trasformazione della supply chaindi migliorare la trasparenza e traczkVM e zkEVM consentono
• 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 dalle transazioni più rapide e dalla gestione sicura dei dati fornite da zkVM e zkEVM.

Il futuro di zkVM e della scalabilità della blockchain

Con la crescente tracdi zkVM nel settore blockchain, questa tecnologia ha il potenziale per risolvere i problemi di scalabilità di lunga data che ne hanno limitato l'adozione e la crescita. 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, la sua adozione su larga scala dipenderà comunque dalla volontà dei progetti blockchain di integrare questa tecnologia nelle proprie reti.
2. Problemi di sicurezza: le dimostrazioni a conoscenza zero introducono tecniche crittografiche complesse e qualsiasi vulnerabilità potrebbe comportare rischi significativi per la sicurezza. Il controllo e il miglioramento continui delle implementazioni zkVM sono fondamentali per mantenere la fiducia degli utenti.
3. Quadro normativo: con l'evoluzione della tecnologia blockchain, continuerà a essere sottoposta a controlli normativi. Resta da vedere come le autorità di regolamentazione tratteranno le dimostrazioni a conoscenza zero e le loro applicazioni, il che potrebbe avere un impatto sulla futura adozione di zkVM.

Conclusione

Il passaggio 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, con il potenziale di rivoluzionare il modo in cui la tecnologia blockchain viene utilizzata in diversi settori.

La transizione a zkVM non è priva di sfide, ma i vantaggi che offre in termini di compatibilità multipiattaforma, facilità d'uso, gestione dei dati e velocità di elaborazione delle transazioni lo rendono un progresso interessante nel settore blockchain. Con la continua evoluzione di zkVM e la sua affermazione negli ecosistemi blockchain, possiamo aspettarci applicazioni blockchain più scalabili ed efficienti, con il potenziale di trasformare i settori e migliorare la vita delle persone in tutto il mondo.