Como a transição do zkEVM para o zkVM melhorou a escalabilidade do blockchain

A tecnologia blockchain percorreu um longo caminho desde a criação do Bitcoin há mais de uma década. Embora as redes blockchain iniciais tenham sido inovadoras em sua abordagem descentralizada, elas enfrentaram desafios significativos, principalmente em termos de escalabilidade. À medida que as aplicações e os casos de uso da blockchain continuam a se expandir, encontrar soluções para os problemas de escalabilidade tornou-se uma prioridade máxima.

Um dos avanços promissores nessa área é a transição da zkEVM (Máquina Virtual Ethereum Conhecimento Zero) para a zkVM (Máquina Virtual de Conhecimento Zero), que tem o potencial de aprimorar drasticamente a escalabilidade do blockchain. Neste artigo, vamos explorar o mundo da zkEVM, analisar suas limitações e entender como a evolução para a zkVM trará melhorias substanciais na escalabilidade do blockchain.

A ascensão das provas de conhecimento zero (ZKPs)

As provas de conhecimento zero desempenham um papel fundamental na proteção da privacidade do usuário na internet, especialmente à medida que buscamos a adoção generalizada da blockchain. Elas também prometem resolver desafios computacionais. Atualmente, existem duas vias principais para alcançar esse objetivo: zkEVMs e zkVMs. Nesta exploração, analisaremos ambas as abordagens, ponderando suas vantagens e desvantagens. No entanto, antes de mergulharmos nessa análise, é essencial compreender o que estamos otimizando e por que a privacidade é tão importante.

No âmbito da evolução criptográfica, tal como na biologia, o desenvolvimento de características é guiado pelo objetivo de otimizar resultados específicos. Bitcoin, por exemplo, priorizou a segurança acima de tudo, reconhecendo que a moeda digital descentralizada precisava ser inequivocamente segura antes de poder ser aceita e amplamente adotada. Ethereum seguiu um caminho semelhante, enfatizando a segurança e introduzindo uma camada adicional: a programabilidade proporcionada pelostracinteligentes.

Essas iterações na evolução criptográfica tendem a se construir umas sobre as outras, cada uma trazendo seu conjunto único de vantagens e desvantagens. No caso do Ethereum, cada nó precisa reexecutar cada transação, o que apresenta desafios computacionais formidáveis ​​que resultam em altas taxas de gás e velocidades de transação lentas. A decisão de realizar os cálculos diretamente no blockchain foi tomada para aumentar a segurança e a transparência. No entanto, isso tem um custo: desempenho e privacidade comprometidos.

Os rollups surgiram como uma solução para melhorar a escalabilidade, reduzindo a carga computacional associada ao Ethereum. Embora comecem a abordar a questão do desempenho, não consideram as preocupações com a privacidade. Isso é significativo porque a privacidade se tornou um pré-requisito para aplicativos que visam expandir sua base de usuários. Os usuários exigem cada vez mais controle sobre seus dados e estão se tornando cautelosos com entidades que buscam acesso irrestrito às suas informações.

Os desenvolvedores de aplicativos reconheceram essa crescente tendência em direção à privacidade e sua necessidade. Consequentemente, eles têm explorado ativamente métodos para proteger a privacidade por meio do uso de provas de conhecimento zero (ZKPs). Esses protocolos criptográficos permitem que usuários ou aplicativos verifiquem a veracidade de uma declaração sem divulgar nenhuma informação adicional. Por exemplo, as ZKPs podem confirmar que um usuário tem mais de 18 anos sem revelar sua idade exata ou data de nascimento.

Conforme destacado no relatório State of Crypto 2023 da a16z, a adoção da tecnologia de provas ZK por desenvolvedores está prestes a aumentar ainda mais. Essa tendência é impulsionada por um aumento nas publicações acadêmicas e pelo crescente número de transações diárias que envolvem a verificação de provas ZK na rede Ethereum . O impulso por trás das provas ZK demonstra sua crescente importância na busca pelo equilíbrio entre privacidade, segurança e escalabilidade no espaço blockchain.

Entendendo o zkVM

O primeiro aspecto que precisa defié: o que constitui uma máquina virtual (VM)? Em resumo, uma VM é um programa de software capaz de executar outros programas, geralmente funcionando como um loop iterativo que executa um conjunto específico de instruções — essas instruções representando o “outro programa”

A Máquina Virtual Ethereum (EVM), especificamente, serve como a VM responsável pela execução detracinteligentes Ethereum . A compilação original das instruções suportadas e seus respectivos comportamentos foi delineada em 2014 no influente documento amarelo — que se destaca não apenas por sua importância, mas também por sua distinta cor amarela — de autoria de Gavin Wood. O documento é constantemente atualizado, buscando refletir o conjunto atual de instruções suportadas.

Uma máquina virtual de conhecimento zero (VM de conhecimento zero), por outro lado, é essencialmente uma máquina virtual implementada como um circuito dentro de um sistema de prova de conhecimento zero (pc de conhecimento zero). Isso a distingue dos sistemas pc de conhecimento zero convencionais, que se concentram predominantemente em provar a execução do programa. Nas VMs de conhecimento zero, a ênfase muda para a verificação da execução da própria máquina virtual. Consequentemente, alguns autores fazem uma distinção, categorizando os sistemas pc de conhecimento zero que não utilizam máquinas virtuais como parte da abordagem FPGA (Field-Programmable Gate Array), enquanto consideram as VMs de conhecimento zero como componentes da abordagem CPU (Unidade Central de Processamento).

Em sistemas zkp, programas ou circuitos são entidades imutáveis, assim como binários compilados a partir de programas específicos. Consequentemente, um circuito zkVM incorpora efetivamente um número predeterminado de iterações para o loop, o que pode ser comparado ao desenrolamento do loop. Em essência, um zkVM é um circuito projetado para executar uma máquina virtual. As instruções do programa em si podem ser introduzidas como entrada pública para este circuito, permitindo total transparência em relação ao programa que está sendo verificado. (Existem vários métodos para transmitir as instruções do programa para a VM, caso se deseje explorar outras alternativas.)

Surgiram diversos projetos zkVM, com pelo menos três iniciativas notáveis:

1. Cairo: Utilizado pela Starknet, este projeto destaca-se pelo seu papel meticuloso, considerado uma obra de arte. Uma implementação experimental conhecida como “turshi” também está presente na estrutura Kimchi.
2. Miden: Um projeto em andamento dentro do ecossistema Polygon, o Miden está atualmente em desenvolvimento.
3. Risczero: Outra iniciativa em desenvolvimento, o Risczero visa dar suporte ao conjunto de instruções RISC-V, um padrão amplamente reconhecido fora do domínio do blockchain.

Cada um desses projetos utiliza conjuntos de instruções distintos, o que os torna incompatíveis entre si.

Tipos de zkVM

O campo das VMs zk pode ser categorizado em dois tipos distintos:

1. Máquinas Virtuais otimizadas para conhecimento zero: Exemplos notáveis ​​incluem Cairo e Miden. Essas máquinas virtuais são meticulosamente projetadas para priorizar a eficiência, tornando-as significativamente mais rápidas. Seu principal objetivo é facilitar a integração perfeita com sistemas de prova de conhecimento zero (zkp), simplificando o processo de verificação.
2. Máquinas Virtuais do Mundo Real: Esta categoria engloba máquinas virtuais como a RiscZero, que suporta o conjunto de instruções RISC-V, e várias zkEVMs adaptadas à Máquina Virtual Ethereum (EVM). As máquinas virtuais do mundo real visam proporcionar compatibilidade com conjuntos de instruções e ecossistemas estabelecidos, além do âmbito das provas de conhecimento zero.

A motivação por trás do suporte à EVM pode ser atribuída a diversas razões convincentes. Em primeiro lugar, para o próprio Ethereum , ela possibilita a criação de provas que abrangem toda a transição de estado — do estado gênese ao estado mais recente Ethereum . Essa capacidade é exemplificada por projetos como o Mina.

Em segundo lugar, para projetos que não sejamEthereum , a adoção da compatibilidade com a EVM oferece a vantagem de incorporar facilmente projetos e aplicativos do ecossistema Ethereum , como o Uniswap. Isso não apenas facilita a interoperabilidade, mas também representa uma oportunidade detracdesenvolvedores da comunidade Ethereum para novos projetos.

Mecanismo do zkVM

O ZkVM, derivado do nosso trabalho anterior no TxVM e influenciado pelos designs Bitcoin e Ethereum , introduz um novo formato de transação. No ZkVM, uma transação é representada como um programa que manipula diretamente o fluxo de ativos como objetos de primeira classe, atualizando o estado do blockchain por meio de um registro de transações. Essa separação entre a aplicação do registro de transações e a validação permite um design altamente escalável, ao mesmo tempo que fornece um ambiente robusto paratracpersonalizados.

Para aprimorar a escalabilidade do blockchain e permitir transferências de valoresdent, o ZkVM emprega um modelo UTXO (Unspent Transaction Output - Saída de Transação Não Gasta) para representar saldos. Todos os saldos são expressos como conjuntos de saídas não gastas (UTXOs), que podem ser criadas, destruídas e manipuladas dentro das transações. Essas UTXOs são armazenadas de forma eficiente como raízes Merkle usando o esquema Utreexo, reduzindo significativamente os requisitos de armazenamento e facilitando a implantação mais ampla de nós totalmente validadores.

Em ZkVM, cada saída é umtracarmazenado no estado do blockchain, contendo múltiplos itens protegidos por um predicado — uma condição que deve ser atendida para desbloquear esses itens. ZkVM utiliza um design baseado em Taproot, permitindo que ostracsejam desbloqueados por meio de assinaturas criptográficas ou pela execução de um subprograma incorporado que verifica condições personalizadas.

Ostracem ZkVM servem como blocos de construção versáteis para protocolos de nível superior, como contas, livros de ordens e canais de pagamento. Essa flexibilidade permite que plataformas como a Stellar afastem as escolhas de design de protocolo da camada crítica de consenso, promovendo a experimentação com uma ampla gama de aplicações descentralizadas.

Em relação àdent, o ZkVM encontra um equilíbrio usando o esquema Taproot em predicados. A lógica dotracnão precisa ser revelada se todas as partes cooperarem, mas a segurança permanece intacta caso contrário. Mesmo quando a lógica dotracprecisa ser divulgada, dados como saldos e parâmetros dotracpermanecemdentdevido a um sistema de restrições verificado de conhecimento zero.

O ZkVM utiliza o sistema de prova de conhecimento zero Bulletproofs, criptografando valores e dados por padrão como compromissos de Pedersen. Os usuários podem especificar expressões aritméticas e lógicas sobre valores secretos, que sãomatictransformados em um sistema de restrições Bulletproofs. As transações são compactas e eficientes, com transações pequenas variando de 1 a 1,5 KB e pagamentos agregados incorrendo em um custo marginal de apenas 200 bytes por par entrada-saída. A verificação é altamente paralelizada, levando apenas cerca de 1 milissegundo por saída. Essa eficiência permite que o ZkVM priorize a segurança sem comprometer a criptografia de dados, garantindo que os dados sejam revelados somente a partes autorizadas, com base na necessidade de conhecimento. Além disso, a estrutura Bulletproofs elimina a necessidade de uma configuração confiável, permitindo a criação de novos protocolos sobre o ZkVM sem a necessidade de atualizações em toda a rede para cada recurso.

A necessidade de transição do zkEVM para o zkVM

Limitações do zkEVM

Embora o zkEVM tenha introduzido melhorias significativas, ainda apresentava algumas limitações que prejudicavam seu potencial de escalabilidade:

1. Compatibilidade limitada: o zkEVM foi projetado principalmente para a rede Ethereum . Isso significa que outras plataformas blockchain não puderam adotar a tecnologia facilmente, limitando seu impacto mais amplo no ecossistema blockchain.
2. Complexidade: A implementação do zkEVM exigiu um profundo conhecimento de provas de conhecimento zero e criptografia. Essa complexidade dificultou a incorporação do zkEVM em projetos por desenvolvedores, limitando ainda mais sua adoção.
3. Desafios de armazenamento e dados: o zkEVM não abordou de forma eficaz a questão do armazenamento de dados no blockchain. Os grandes requisitos de armazenamento de dados continuaram sendo um gargalo para a escalabilidade.

A transição para o zkVM: um avanço em escalabilidade

Reconhecendo as limitações do zkEVM, a comunidade blockchain embarcou em uma jornada para desenvolver uma solução mais versátil e escalável, o que levou ao surgimento do zkVM, ou Máquina Virtual de Conhecimento Zero.

O zkVM se baseia nos princípios fundamentais do zkEVM, ao mesmo tempo que aborda suas deficiências. Vamos explorar como o zkVM está prestes a revolucionar a escalabilidade do blockchain:

1. Compatibilidade entre plataformas: Ao contrário do zkEVM, o zkVM foi projetado para ser agnóstico em relação à blockchain. Isso significa que ele pode ser integrado a diversas redes blockchain, não se limitando ao Ethereum. Essa compatibilidade mais ampla abre caminho para que o zkVM tenha um impacto mais significativo em todo o ecossistema blockchain.
2. Experiência do usuário aprimorada: o zkVM visa simplificar o processo de implementação para desenvolvedores. Ao oferecer ferramentas e interfaces amigáveis, o zkVM facilita o aproveitamento do poder das provas de conhecimento zero, reduzindo a barreira de entrada.
3. Gerenciamento de dados aprimorado: o zkVM aborda a questão do armazenamento de dados de forma mais eficaz. Ele introduz técnicas inovadoras para compressão e armazenamento de dados, reduzindo os requisitos de armazenamento no blockchain. Essa otimização tem um impacto positivo direto na escalabilidade, diminuindo o tamanho dos dados do blockchain.
4. Processamento de transações mais rápido: Com os recursos de computação off-chain do zkVM, a carga computacional na rede blockchain é ainda mais reduzida. Isso resulta em tempos de processamento de transações mais rápidos, taxas mais baixas e desempenho geral aprimorado.

O que estamos otimizando?

A Lockheed Martin embarcou na ambiciosa tarefa de criar o F-35, idealizando-o como um caça versátil capaz de substituir caças especializados em combate ar-ar e ar-solo. No entanto, esse empreendimento enfrentou contratempos significativos, ficando uma década atrasado em relação ao cronograma previsto e conquistando a reputação, entre especialistas do setor, de ser um dos caças menos bem-sucedidos já produzidos.

A principal conclusão desta experiência é que, quando um sistema é projetado com um propósito específico em mente, ele geralmente se destaca no cumprimento dessa função em particular, em comparação com uma solução que tenta otimizar vários objetivos simultaneamente.

Traçando um paralelo com o universo blockchain, Ethereum foi inicialmente concebido como uma plataforma totalmente pública e transparente. Se alguém tentar introduzir recursos de privacidade em um blockchain desse tipo, é improvável que alcance o mesmo nível de desempenho de um sistema projetado com a privacidade como princípio fundamental desde sua concepção. Isso apresenta desafios de engenharia, pois os desenvolvedores precisam adaptar programas que não foram originalmente projetados para funcionar nesse contexto, levando à criação de circuitos complexos e difíceis de gerenciar.

No entanto, a abordagem alternativa envolve o desenvolvimento de uma camada de aplicação específica para privacidade. Essa abordagem permite a otimização das funcionalidades relacionadas à privacidade, ao mesmo tempo que aproveita os benefícios oferecidos pelas provas de conhecimento zero, um tópico que abordaremos na próxima seção.

Aplicações práticas do zkVM e do zkEVM

Tanto o zkEVM quanto o zkVM encontram aplicações em diversos domínios, prometendo remodelar indústrias e casos de uso de blockchain:

• DeFi Revolução: As plataformas de Finanças Descentralizadas (DeFi) podem usar zkVM e zkEVM para aumentar a velocidade das transações, reduzir taxas e proteger dados financeiros sensíveis.
• Transformação da cadeia de suprimentosobter maior transparência e tracCom zkVM e zkEVM, é possível
• Segurança de dados na área da saúde: zkEVM e zkVM podem garantir a privacidade e a segurança dos dados de saúde, permitindo o compartilhamento seguro de informações entre partes autorizadas.
• Jogos e NFTs: A indústria de jogos e os mercados de Tokens Não Fungíveis (NFTs) podem se beneficiar de transações mais rápidas e do manuseio seguro de dados proporcionados pelo zkVM e zkEVM.

O futuro do zkVM e da escalabilidade do Blockchain

À medida que o zkVM ganha tracno espaço blockchain, ele tem o potencial de solucionar os problemas de escalabilidade de longa data que têm limitado a adoção e o crescimento do blockchain. No entanto, como qualquer tecnologia emergente, existem desafios a serem superados e considerações a serem levadas em conta:

1. Obstáculos à adoção: Embora a compatibilidade do zkVM com várias blockchains seja uma vantagem significativa, a adoção em larga escala ainda dependerá da disposição dos projetos de blockchain em integrar essa tecnologia em suas redes.
2. Preocupações com a segurança: As provas de conhecimento zero introduzem técnicas criptográficas complexas, e quaisquer vulnerabilidades podem representar riscos de segurança significativos. A auditoria e o aprimoramento contínuos das implementações do zkVM são cruciais para manter a confiança dos usuários.
3. Cenário regulatório: À medida que a tecnologia blockchain evolui, ela continuará sujeita ao escrutínio regulatório. Resta saber como os reguladores tratarão as provas de conhecimento zero e suas aplicações, o que poderá impactar a futura adoção do zkVM.

Conclusão

A transição do zkEVM para o zkVM representa um avanço significativo na resolução dos desafios de escalabilidade da blockchain. Enquanto o zkEVM lançou as bases, o zkVM oferece uma solução mais versátil e escalável, com potencial para revolucionar a forma como a tecnologia blockchain é utilizada em diversos setores.

A transição para o zkVM não está isenta de desafios, mas os benefícios que ele traz em termos de compatibilidade entre plataformas, facilidade de uso, gerenciamento de dados e velocidade de processamento de transações o tornam um avanço convincente no espaço blockchain. À medida que o zkVM continua a evoluir e a encontrar seu lugar nos ecossistemas blockchain, podemos esperar ver aplicações blockchain mais escaláveis ​​e eficientes, com potencial para transformar setores e melhorar a vida de pessoas em todo o mundo.