zkEVM から zkVM への道がブロックチェーンのスケーラビリティをどのように改善したか

ブロックチェーン技術は、10 年以上前の Bitcoin の誕生以来、大きな進歩を遂げてきました。 初期のブロックチェーン ネットワークは分散型アプローチという点では画期的でしたが、特にスケーラビリティの点で大きな課題に直面していました。 ブロックチェーンのアプリケーションとユースケースが拡大し続けるにつれて、スケーラビリティの問題に対する解決策を見つけることが最優先事項になっています。

この領域における有望な進歩の 1 つは、zkEVM (ゼロ知識 Ethereum 仮想マシン) から zkVM (ゼロ知識仮想マシン) への移行であり、これはブロックチェーンのスケーラビリティを大幅に強化する可能性を秘めています。 この記事では、zkEVM の世界を掘り下げ、その限界を探り、zkVM への進化がどのようにしてブロックチェーンのスケーラビリティに大幅な改善をもたらすのかを理解します。

ゼロ知識証明 (ZKP) の台頭

ゼロ知識証明は、特にブロックチェーンでの普及を目指す中で、インターネット上でユーザーのプライバシーを保護する上で極めて重要な役割を果たします。 また、計算上の課題を解決できる可能性も秘めています。 現在、これを実現するには、zkEVM と zkVM という 2 つの主要な手段があります。 この調査では、両方のアプローチを詳しく掘り下げ、それぞれの長所と短所を比較検討します。 ただし、この分析に入る前に、何のために最適化しているのか、そしてなぜプライバシーがそれほど重要なのかを理解することが重要です。

暗号進化の領域では、生物学的進化と同様に、特性の開発は、特定の結果を最適化するという目的によって導かれます。 たとえば、 Bitcoin、分散型デジタル通貨が受け入れられ、広く普及する前に、明確に安全である必要があることを認識し、何よりもセキュリティを優先しました。 Ethereum 同様の道をたどり、セキュリティを強調しながら、スマートtracによって提供されるプログラマビリティという追加のレイヤーを導入しました。

暗号進化におけるこれらの反復は相互に構築される傾向があり、それぞれが独自のトレードオフをもたらします。 Ethereumの場合、すべてのノードはすべてのトランザクションを再実行する必要があるため、計算上の困難な課題が生じ、その結果、ガス料金が高額になり、トランザクション速度が遅くなります。 セキュリティと透明性を強化するために、ブロックチェーン上で直接計算を実行することが決定されました。 ただし、パフォーマンスとプライバシーが損なわれるという代償が伴います。

ロールアップは、 Ethereumに関連する計算負荷を軽減することでスケーラビリティを向上させるソリューションとして登場しました。 彼らはパフォーマンスの問題に対処し始めていますが、プライバシーの問題については説明していません。 プライバシーはユーザー ベースの拡大を目指すアプリケーションの前提条件へと進化しているため、これは重要です。 ユーザーは自分のデータに対するさらなる管理をますます求めており、自分の情報への無制限のアクセスを求める組織に対して警戒するようになってきています。

アプリ開発者は、プライバシーに対するこの傾向の高まりとその必要性を認識しています。 そのため、ゼロ知識証明 (ZKP) を使用してプライバシーを保護する方法を積極的に研究しています。 これらの暗号化プロトコルを使用すると、ユーザーまたはアプリケーションは追加情報を漏らすことなくステートメントの真実性を検証できます。 たとえば、ZKP は、ユーザーの正確な年齢や生年月日を開示せずに、ユーザーが 18 歳以上であることを確認できます。

a16z の 2023 State of Crypto レポートで強調されているように、開発者による ZK 耐性テクノロジーの採用はさらに増加する見込みです。 この傾向は、学術出版物の急増と、 Ethereum ネットワーク上での ZK 証明の検証を伴う日常的なトランザクション数の増加によって推進されています。 ZKP の背後にある勢いは、ブロックチェーン空間におけるプライバシー、セキュリティ、スケーラビリティのバランスを追求する中で ZKP の重要性が高まっていることを示しています。

zkVM について理解する

defiが必要な最初の側面は、仮想マシン (VM) を構成するものは何かということです。 一言で言えば、VM は他のプログラムを実行できるソフトウェア プログラムであり、通常は指定された一連の命令 (「他のプログラム」を表す命令) を実行する反復ループとして機能します。

具体的には、 Ethereum 仮想マシン (EVM) は、 Ethereum スマートtracの実行を担当する VM として機能します。 サポートされている命令とそのそれぞれの動作をまとめたオリジナルの内容は、2014 年に、Gavin Wood が執筆した独創的な黄色い論文の中で概説されました。この論文は、その重要性だけでなく、独特の黄色によっても区別されています。 この文書は、現在サポートされている一連の命令を反映することを目的として、継続的に更新の状態を維持しています。

一方、ゼロ知識仮想マシン (zk VM) は、本質的にはゼロ知識証明 (zkp) システム内の回路として実装された VM です。 これは、主にプログラムの実行を証明することに焦点を当てた従来の zkp システムとは異なります。 zkVM では、仮想マシン自体の実行の検証に重点が移ります。 したがって、非 VM zkps を FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) アプローチの一部として分類し、zkVM を CPU (中央処理装置) アプローチの構成要素とみなして区別する人もいます。

zkp システム内では、プログラムまたは回路は、特定のプログラムからコンパイルされたバイナリと同様に、不変のエンティティです。 したがって、zkVM 回路は、ループの所定の反復回数を効果的に具体化します。これは、ループを展開することにたとえることができます。 本質的に、zkVM は仮想マシンを実行するために設計された回路です。 実際のプログラムの命令をこの回路へのパブリック入力として導入できるため、検証対象のプログラムに関する完全な透過性が可能になります。 (さらに別の方法を検討したい場合に備えて、プログラムの命令を VM に伝えるためのさまざまな方法が存在します。)

いくつかの zkVM プロジェクトが登場しており、少なくとも 3 つの注目すべき取り組みがあります。

1. カイロ: Starknet が利用するこのプロジェクトは、芸術作品とみなされる細心の注意を払った紙で注目に値します。 「turshi」として知られる実験的な実装も Kimchi フレームワークに組み込まれています。
2. Miden: Polygon エコシステム内で進行中のプロジェクトである Miden は、現在開発中です。
3. Risczero: もう 1 つの進行中の取り組みである Risczero は、ブロックチェーン ドメインを超えて広く認識されている標準である RISC-V 命令セットをサポートすることを目的としています。

これらの各プロジェクトは個別の命令セットに対応しており、相互に相互運用できません。

zkVMの種類

zk VM の分野は、次の 2 つの異なるタイプに分類できます。

1. zk に最適化された VM: 注目すべき例には、Cairo や Miden などがあります。 これらの VM は効率を優先するように細心の注意を払って設計されており、大幅に高速化されています。 その主な目的は、ゼロ知識証明 (zkp) システムとのシームレスな統合を促進し、検証プロセスを合理化することです。
2. 現実世界の VM: このカテゴリには、RISC-V 命令セットをサポートする RiscZero などの VM や、 Ethereum 仮想マシン (EVM) に合わせて調整されたさまざまな zkEVM が含まれます。 現実世界の VM は、ゼロ知識証明の領域を超えて、確立された命令セットおよびエコシステムとの互換性を提供することを目的としています。

EVM をサポートする動機には、いくつかの説得力のある理由が考えられます。 まず、 Ethereum 自体については、初期状態から最新の Ethereum 状態までの状態遷移全体を含む証明の作成が可能になります。 この能力は、Mina のようなプロジェクトによって実証されています。

次に、非Ethereum プロジェクトの場合、EVM 互換性を採用すると、Uniswap などの Ethereum エコシステムからプロジェクトやアプリケーションをシームレスに組み込めるという利点が得られます。 これにより、相互運用性が促進されるだけでなく、 Ethereum コミュニティから開発者を新しいプロジェクトにtrac機会も提供されます。

zkVMの仕組み

ZkVM は、TxVM に関する以前の研究に由来し、 Bitcoin と Ethereum 設計に影響を受けて、新しいトランザクション形式を導入します。 ZkVM では、トランザクションは、資産フローをファーストクラスのオブジェクトとして直接操作するプログラムとして表現され、トランザクション ログを介してブロックチェーンの状態を更新します。 トランザクション ログ アプリケーションを検証から分離することで、カスタムtracに堅牢な環境を提供しながら、拡張性の高い設計が可能になります。

ブロックチェーンのスケーラビリティを強化し、dent価値の転送を可能にするために、ZkVM は残高を表す UTXO (Unspent Transaction Output) モデルを採用しています。 すべての残高は未使用出力 (UTXO) のセットとして表現され、トランザクション内で作成、破棄、操作できます。 これらの UTXO は、Utreexo スキームを使用してマークル ルートとして効率的に保存されるため、ストレージ要件が大幅に削減され、完全に検証されたノードの広範な展開が容易になります。

ZkVM では、各出力はブロックチェーン状態に保存されたtracであり、述語によって保護された複数の項目が含まれます。これらの項目のロックを解除するには条件を満たす必要があります。 ZkVM は Taproot ベースの設計を利用しており、暗号化tracを通じて、またはカスタム条件を検証する埋め込みサブプログラムの実行によって契約のロックを解除できます。

ZkVM のtracは、アカウント、注文書、支払いチャネルなどの高レベルのプロトコルの多用途のビルディング ブロックとして機能します。 この柔軟性により、Stellar のようなプラットフォームはプロトコル設計の選択肢をコンセンサスが重要な層から遠ざけることができ、幅広い分散型アプリケーションの実験を促進します。

dent性に関しては、ZkVM は述語で Taproot スキームを使用してバランスをとります。 すべての当事者が協力する場合、tracロジックを明らかにする必要はありませんが、協力しない場合でもセキュリティはそのまま残ります。tracロジックを開示する必要がある場合でも、ゼロ知識検証型制約システムにより、残高やtracパラメータなどのデータはdentままです。

ZkVM は、Bulletproofs のゼロ知識証明システムを活用し、Pedersen のコミットメントとしてデフォルトで値とデータを暗号化します。 ユーザーは、シークレット値に対して算術式および論理式を指定でき、これらはmaticに Bulletproofs 制約システムに変換されます。 トランザクションはコンパクトかつ効率的で、サイズが 1 ～ 1.5 KB の小さなトランザクションと、入出力ペアごとにわずか 200 バイトの限界費用がかかる集約支払いで実現されます。 検証は高度に並列化可能で、出力ごとにわずか約 1 ミリ秒しかかかりません。 この効率性により、ZkVM はデータ暗号化を損なうことなくセキュリティを優先することができ、データが必要な情報に基づいて許可された関係者にのみ公開されることが保証されます。 さらに、Bulletproofs フレームワークにより、信頼できるセットアップの必要性がなくなり、機能ごとにネットワーク全体のアップグレードを必要とせずに、ZkVM 上に新しいプロトコルを作成できるようになります。

zkEVM から zkVM への移行の必要性

zkEVMの制限事項

zkEVM には大幅な改善が加えられましたが、スケーラビリティの可能性を妨げるいくつかの制限が依然としてありました。

1. 限定的な互換性: zkEVM は主に Ethereum ネットワーク用に設計されました。 これは、他のブロックチェーン プラットフォームがこのテクノロジーを容易に採用できず、ブロックチェーン エコシステムに対する広範な影響が制限されることを意味しました。
2. 複雑さ: zkEVM の実装には、ゼロ知識証明と暗号化についての深い理解が必要でした。 この複雑さにより、開発者が zkEVM をプロジェクトに組み込むことが困難になり、その採用がさらに制限されました。
3. ストレージとデータの課題: zkEVM は、ブロックチェーン上のデータ ストレージの問題に効果的に対処していません。 大規模なデータ ストレージ要件が依然としてスケーラビリティのボトルネックとなっていました。

zkVM への移行: スケーラビリティの画期的な進歩

zkEVM の限界を認識したブロックチェーン コミュニティは、より多用途でスケーラブルなソリューションの開発に着手し、zkVM (ゼロ知識仮想マシン) の誕生につながりました。

zkVM は、zkEVM の基本原則に基づいて構築されていますが、その欠点に対処しています。 zkVM がどのようにブロックチェーンのスケーラビリティに革命を起こそうとしているのかを見てみましょう。

1. クロスプラットフォーム互換性: zkEVM とは異なり、zkVM はブロックチェーンに依存しないように設計されています。 これは、 Ethereumに限定されず、さまざまなブロックチェーンネットワークに統合できることを意味します。 この幅広い互換性により、zkVM がブロックチェーン エコシステム全体により大きな影響を与える可能性が広がります。
2. ユーザー エクスペリエンスの向上: zkVM は、開発者の実装プロセスを簡素化することを目的としています。 zkVM は、ユーザーフレンドリーなツールとインターフェイスを提供することで、開発者がゼロ知識証明の力を活用しやすくなり、参入障壁を軽減します。
3. 強化されたデータ管理: zkVM は、データ ストレージの問題をより効果的に解決します。 データ圧縮とストレージのための革新的な技術を導入し、ブロックチェーン上のストレージ要件を軽減します。 この最適化は、ブロックチェーンのデータのサイズを削減することにより、スケーラビリティに直接的なプラスの影響を与えます。
4. より高速なトランザクション処理: zkVM のオフチェーン計算機能により、ブロックチェーン ネットワークの計算負荷がさらに軽減されます。 これにより、トランザクション処理時間が短縮され、手数料が削減され、全体的なパフォーマンスが向上します。

何のために最適化するのか?

ロッキード・マーティンは、特殊な空対空および空対地戦闘機に代わる多用途の戦闘機としてそれを構想し、F-35 を開発するという野心的な仕事に着手しました。 しかし、この試みは大きな挫折に見舞われ、予定のスケジュールから10年遅れ、業界の専門家の間ではこれまでに生産された戦闘機の中で最も成功していない戦闘機の1つとしての評判を得ている。

この経験から得られる重要な点は、システムが特定の目的を念頭に置いて設計されている場合、多くの場合、複数の目的を同時に最適化しようとするソリューションと比較して、その特定の役割を果たすのに優れているということです。

Ethereum ブロックチェーン領域と類似しており、当初は完全にパブリックで透明なプラットフォームとして考えられていました。 このようなブロックチェーンにプライバシー機能を導入しようとしても、最初からプライバシーを中心原則として設計されたシステムと同じレベルのパフォーマンスを達成することは可能性が低いです。 開発者は、本来このコンテキスト内で機能するように意図されていないプログラムを適応させる必要があり、複雑で扱いにくい回路の作成につながるため、これはエンジニアリング上の課題を引き起こします。

ただし、別のアプローチには、プライバシー専用に設計された専用のアプリケーション層の開発が含まれます。 このアプローチにより、ゼロ知識証明によってもたらされる利点を享受しながら、プライバシー関連の機能の最適化が可能になります。このトピックについては、次のセクションで詳しく説明します。

zkVM と zkEVM の実世界のアプリケーション

zkEVM と zkVM は両方ともさまざまなドメインでアプリケーションを見つけ、業界とブロックチェーンのユースケースを再構築することを約束しています。

• DeFi革命: 分散型金融 ( DeFi ) プラットフォームは、zkVM と zkEVM を活用して、トランザクション速度を向上させ、手数料を削減し、機密の金融データを保護できます。
• サプライ チェーンの変革: zkVM と zkEVM を使用すると、サプライ チェーンの透明性とtrac可能性が向上し、不正行為が減少し、効率が向上します。
• ヘルスケア データ セキュリティ: zkEVM および zkVM は、ヘルスケア データのプライバシーとセキュリティを確保し、権限のある関係者間での情報の安全な共有を可能にします。
• ゲームと NFT : ゲーム業界と非代替トークン (NFT) マーケットプレイスは、zkVM と zkEVM によって提供される高速トランザクションと安全なデータ処理の恩恵を受けることができます。

zkVM の将来とブロックチェーンのスケーラビリティ

zkVM がブロックチェーン空間で tracを増すにつれ、ブロックチェーンの採用と成長を制限してきた長年のスケーラビリティの問題に対処できる可能性を秘めています。 ただし、他の新興テクノロジーと同様に、克服すべき課題と留意すべき考慮事項があります。

1. 導入のハードル: zkVM のさまざまなブロックチェーンとの互換性は大きな利点ですが、広範な導入は依然として、このテクノロジーをネットワークに統合するブロックチェーン プロジェクトの意欲に依存します。
2. セキュリティ上の懸念: ゼロ知識証明には複雑な暗号化技術が導入されており、脆弱性があると重大なセキュリティ リスクを引き起こす可能性があります。 ユーザーの信頼を維持するには、zkVM 実装の継続的な監査と改善が不可欠です。
3. 規制の状況: ブロックチェーン技術が進化するにつれ、引き続き規制の監視に直面することになります。 規制当局がゼロ知識証明とそのアプリケーションをどのように扱うかはまだ分からず、それがzkVMの将来の採用に影響を与える可能性がある。

結論

zkEVM から zkVM への移行は、ブロックチェーンのスケーラビリティの課題に対処する上での重要な前進を表しています。 zkEVM は基礎を築きましたが、zkVM は、さまざまな業界でのブロックチェーン テクノロジーの使用方法に革命をもたらす可能性のある、より多用途でスケーラブルなソリューションを提供します。

zkVM への移行には課題がないわけではありませんが、クロスプラットフォームの互換性、使いやすさ、データ管理、トランザクション処理速度の点でもたらすメリットにより、zkVM はブロックチェーン分野で魅力的な進歩となります。 zkVM が進化し続け、ブロックチェーン エコシステムにその地位を確立するにつれ、産業を変革し、世界中の人々の生活を向上させる可能性を秘めた、よりスケーラブルで効率的なブロックチェーン アプリケーションが登場することが期待されます。