Polyhedra Network 如何通過 zkBridge 實現以太坊全節點 ZK 證明？

2023-07-27 00:07:47

概述：

證明以太坊 PoS 的全節點對於構建 zkBridge 以及以太坊上的任何互操作協議至關重要。同步委員會對於這些目的來說是不夠安全的，因為同步委員會的加密經濟安全性（當前僅約 3200 萬美元的 ETH 質押）遠不理想。任何依賴以太坊上的同步委員會部署的跨鏈基礎設施、預言機和數據處理服務都是不安全的。

Polyhedra Network 設計並實施了 zkBridge 系統，以證明以太坊 PoS 的全節點（當前總共質押的 ETH 的總價值約為 400 億美元）。 Polyhedra Network 在 LayerZero 上的所有以太坊及其 rollups （例如 Arbitrum 、Linea 、Optimism 、zkSync 、Mantle 等）的 zk 客戶端都將基於以太坊全節點的 ZK 證明。 Polyhedra Network 採用了其高效的證明系統 deVirgo ，該系統的效率足以在 10 秒內生成 Ethereum 全節點的證明，證明速度足以追趕上 Ethereum 區塊的出塊速度。

以太坊全節點的零知識證明實現將使以太坊及其 rollups 能夠實現完全無需信任、高效且安全的互操作性。 Polyhedra Network 的系統還允許任何 L1 和 L2 （例如 BNB Smart Chain 和 op BNB ）以及任何應用傳輸所有當前和歷史的以太坊數據。這使得智能合約可以無需信任地訪問以太坊數據以實現各種計算邏輯，同時其安全性由以太坊 PoS 全節點保證。

證明以太坊 PoS 的全節點對於安全性至關重要

與以太坊輕客戶端相比，以太坊全節點證明具有更高的安全保證。以太坊輕客戶端的安全性完全依賴於一個被稱為「同步委員會」的系統。然而，同步委員會的規模只有 512 個成員，大約每天（即大約 27.3 小時）輪換一次。總質押資產只有 16384 個 ETH （ 512 * 32），與連接以太坊生態系統與其他網絡的跨鏈橋每日交易量（超過 3 億美元）相比，這個數字非常小（當前只有 3200 萬美元的 ETH 被質押）。

另一個問題是同步委員會並不總是對區塊進行籤名（例如區塊 17239413 和區塊 17239414）。統計數據顯示，1.6% 的區塊沒有被同步委員會的絕大多數成員籤名，而且這個問題平均每 12 分鐘就可能發生一次。

證明以太坊全節點的系統概述

為了解決這些問題， Polyhedra Network 決定摒棄使用同步委員會，並利用自以太坊 merge 以來的以太坊區塊鏈的全 PoS 共識。這將證明在以太坊主網上的每個區塊中包含的超過 20,000 個籤名（比 512 個同步委員會增加了 40 倍）。

為了處理 40 倍的工作量增加， Polyhedra Network 採用了其獨特的證明系統—— deVirgo 。這個證明系統擁有無與倫比的處理能力，得益於其理論上的改進和顯著的工程進步。 deVirgo 協議從理論上消除了對非常大的 FFT 或 MSM 的需求，使證明生成時間與籤名數量呈线性關系。該協議已在 zkBridge 上部署，並支持並行和分布式計算。

在十億規模的電路上進行的證明系統實驗顯示其證明生成時間少於 10 秒，可以追上以太坊區塊生成的速度（約 12 秒），而且不會增加證明大小或驗證時間。

使用高效證明系統證明以太坊全節點

為了快速地證明以太坊全節點， Polyhedra Network 使用了其高效的證明系統 deVirgo 。 deVirgo 是 Virgo 協議的分布式版本，旨在通過將計算分布在多臺機器上來並行化 GKR 協議。通過使用 deVirgo ， zkBridge 可以支持不同區塊鏈之間的快速和靈活的互操作性，而無需依賴外部的信任假設。 zkBridge 使用遞歸證明來證明之前由 deVirgo 生成的證明，從而遞歸地證明了相應的區塊頭。遞歸證明將鏈上驗證成本降低到在任何 EVM 兼容的區塊鏈網絡上約 220K 的燃料。

deVirgo 的關鍵性突破在於確認了以太坊全節點的共識可以表示為數據並行電路的性質。假設有一個數據並行算術電路?以及 N 臺機器， deVirgo 證明系統可以將數據並行電路分成 N 個子電路，每臺機器只計算一個子電路。以太坊全共識的驗證就是這樣的一個數據並行電路，其中包含了超過 30000 個相同的籤名驗證算法和哈希。

deVirgo 的核心是一種分布式 sumcheck 的技術。在 deVirgo 中， sumcheck 協議被分為兩個階段。在第一階段，每臺機器處理自己的子電路，並集體生成一個聚合證明。剩余的工作對於一臺機器來說已經足夠小。該機器此時即可執行第二階段，完成分布式 sumcheck 。

評估以太坊全節點 ZK 證明的性能

為了評估在 BLS 籤名聚合上的實現， Polyhedra Network 使用兩個 AMD EPYC ™ 7763 CPU 測量了 deVirgo 證明和遞歸驗證的運行時間。結果如下：

Polyhedra Network 已經在 zkBridge 上部署了以太坊全節點證明系統。 zkBridge 將以太坊設置為發送鏈，將其他網絡如 BNB Chain 和 Avalanche 等設置為接收鏈。結果顯示，在包含所有組件的延遲的情況下， zkBridge 可以在 12 秒內生成以太坊全節點的證明，並在 BNB 鏈和其他網絡上驗證區塊頭。

Polyhedra Network 將繼續優化其實現。計劃在不久的將來通過 GPU 加速以降低前期成本並實現更好的去中心化。不過當前的 zkBridge 證明系統已經足夠高效，可以跟上以太坊的出塊時間。

總結

通過實現以太坊全節點的證明， Polyhedra Network 使用 zkBridge 實現了完全無需信任、高效且安全的互操作性，以連接以太坊生態系統（包括 L1 和 L2 ）與其他網絡。此外， Polyhedra Network 在 LayerZero 上的所有以太坊及其 rollups （例如 Arbitrum ，Linea ，Optimism ， zkSync ， Mantle ）的 zk 客戶端都將配備以太坊全節點的 ZK 證明。這將以太坊全節點的質押安全性（約 400 億美元）帶入 LayerZero 上的 zk 客戶端。

以太坊全節點證明系統還允許當前和歷史的以太坊數據，包括區塊頭和交易數據，可以被任何網絡和應用訪問。這將使任何區塊鏈上的智能合約可以無需信任地訪問以太坊數據，並處理各種計算邏輯。所有的安全性都由以太坊 PoS 全節點的 ZK 證明來保證。