Boundless: Ein zkVM-Marktplatz für verifizierbare Berechnungen

1. Einführung

Das Ethereum-Netzwerk hält eine hohe Sicherheit und Dezentralisierung durch eine Struktur aufrecht, in der alle Knoten wiederholt identische Berechnungen durchführen. Infolgedessen wird der Konsensprozess mit zunehmender Anzahl der Knoten komplexer, der Synchronisationsaufwand zwischen den Knoten wächst, und der Durchsatz des Netzwerks wird durch die Geschwindigkeit des langsamsten Knotens begrenzt, was zu einer verringerten Gesamteffizienz des Netzwerks führt.

Um diese Einschränkungen zu adressieren, hat die Blockchain-Branche verschiedene Ansätze verfolgt, um Skalierbarkeitsherausforderungen zu meistern. Bemerkenswerte Beispiele sind Ethereum-Skalierungslösungen wie Rollups und Sharding, die darauf abzielen, die Skalierbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die grundlegende Architektur von Ethereum zu bewahren.

Nicht alle Projekte haben jedoch denselben Weg eingeschlagen. Einige Blockchains, repräsentiert durch Solana und Sui, haben monolithische Architekturen übernommen, die eine hohe Skalierbarkeit priorisieren, selbst auf Kosten einiger Sicherheit und Dezentralisierung, und haben ihre Position in der Branche durch die Betonung schneller Transaktionsverarbeitung und verbesserter Benutzererahrung gefestigt.

Letztendlich hat sich das Blockchain-Ökosystem entlang zweier paralleler Bahnen entwickelt: 1) ein Weg, der eine schrittweise Erweiterung unter Beibehaltung von Sicherheit und Dezentralisierung anstrebt, und 2) ein Weg, der unmittelbare Skalierbarkeit priorisiert. Ersterer stößt jedoch bei der Erweiterungsgeschwindigkeit an Grenzen, während letzterer Kompromisse bei Dezentralisierung und Sicherheit erfordert.

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1.1 Das Aufkommen von zkVM

In diesem Kontext gewinnt zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) als neue Alternative an Aufmerksamkeit.

zkVM ist eine Technologie, die Smart-Contract-Operationen in einer virtuellen Maschine ausführt, die Nullwissen-Beweise (ZK-Proofs) generieren kann, und die Genauigkeit der Ergebnisse durch kompakte Beweise garantiert. Dies ermöglicht es, komplexe Berechnungen und die Verarbeitung großer Datenmengen Off-Chain durchzuführen, während nur die Ergebnisverifizierung On-Chain erfolgt, wodurch die Last auf der Kette reduziert und Skalierbarkeit gesichert wird.

Im Wesentlichen synthetisiert zkVM die Vor- und Nachteile der oben beschriebenen Skalierungslösungen und bietet Skalierbarkeit auf monolithischer Kettenebene bei gleichzeitiger Wahrung von Sicherheit und Dezentralisierung. Durch diese Technologie hat die Blockchain-Branche einen neuen Entwicklungsweg erhalten, der gleichzeitig Sicherheit und Skalierbarkeit gewährleisten kann.

Die Vorteile, die Blockchains durch die Übernahme von zkVM-Technologie erlangen können, umfassen:

• Vorhersagbare Verifizierungskosten: Die Verifizierungskosten bleiben unabhängig von der Komplexität der Berechnung konstant, was eine stabile und vorhersehbare Kostenstruktur sicherstellt, selbst bei Anwendungen mit deutlich erhöhter Komplexität
• Harmonie von Dezentralisierung und Effizienz: Während die inhärenten Stärken der Blockchain wie Dezentralisierung und Integrität bewahrt bleiben, werden tatsächliche Berechnungen Off-Chain verarbeitet, was die Gesamteffizienz des Netzwerks steigert
• Hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit: Benutzer erhalten einen Beweis dafür, dass Ergebnisse korrekt berechnet wurden, ohne die Berechnungsergebnisse direkt verifizieren zu müssen, was die Netzwerkzuverlässigkeit stärkt und die sichere Verarbeitung komplexer Berechnungen ermöglicht
• Erweiterte Anwendungsmöglichkeiten: Da groß angelegte Berechnungen, die On-Chain schwer zu verarbeiten waren, machbar werden, kann die Blockchain in verschiedene Anwendungsbereiche wie künstliche Intelligenz, Finanzsimulation und groß angelegte Datenanalyse expandieren

Daher geht zkVM über die bloße Verbesserung der Blockchain-Leistung hinaus; durch die Trennung von Berechnung und Verifizierung löst es die Skalierbarkeitsprobleme der Blockchain und bewahrt gleichzeitig die Vorteile dezentraler Netzwerke. Es etabliert eine Grundlage für eine aktivere Nutzung der Blockchain in diversen Bereichen wie KI, Finanzen und Datenanalyse. Da zkVM jedoch erst kürzlich entwickelt und diskutiert wurde, hat die Technologie noch nicht das Stadium der branchenweiten breiten Adoption erreicht.

An diesem Punkt zielt Boundless darauf ab, ein Führer im Bereich zkVM zu werden, indem es eine Umgebung bereitstellt, die sofort in industriellen Umgebungen angewendet werden kann, und über die bloße Implementierung von zkVM hinausgeht.

2. Boundless: Durchbrechen von Skalierungsgrenzen

Boundless ist eine durch Nullwissen verifizierte Rechenschicht, die vom RISC Zero-Team entwickelt wurde. Sie ist als Protokoll für einen Marktplatz für Nullwissen-Beweise konzipiert, der komplexe Berechnungen effizient verarbeitet und eine sichere Verifizierung ermöglicht. Wenn Blockchains oder Anwendungen Hochleistungsrechenleistungen benötigen, können sie diese beim Boundless-Netzwerk anfordern, und jeder kann Teilnehmer werden, Berechnungen durchführen und Beweise einreichen, um Belohnungen zu verdienen.

Der Kernmechanismus von Boundless ist die Trennung von Berechnung und Verifizierung. Anstatt dass alle Knoten On-Chain wiederholt identische Berechnungen durchführen, verarbeiten bestimmte Knoten komplexe Berechnungen Off-Chain und verifizieren die Ausführung durch Nullwissen-Beweise. Dies ermöglicht dem Netzwerk, die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu sichern, ohne eine vollständige Neuberechnung zu erfordern, und wird zu einem Schlüsselmechanismus zur Lösung von Skalierbarkeitsproblemen bei Blockchains.

2.1. zkVM von Boundless

Boundless basiert auf dem zkVM, das von RISC Zero intern entwickelt wurde. Das RISC Zero zkVM verfügt über eine Struktur, die beliebige Programme unter Verwendung von allgemeinen RISC-V-Instruktionen ausführen und kryptografische Quittungen generieren kann, die beweisen, dass die Ausführung korrekt durchgeführt wurde.

Da das zkVM automatisch die komplexe Erstellung von Nullwissen-Beweisen übernimmt, können Entwickler, die es nutzen, zkVM-kompatible Programme schreiben und verifizierbare Programme in vertrauten Sprachen wie Rust und C++ entwickeln, ohne separates kryptografisches Fachwissen.

Zusätzlich ist das RISC Zero zkVM ein leistungsstarkes, auf STARK basierendes Beweissystem, das die Rechenlast in RISC-V-CPU-Taktzyklus-Einheiten messen kann, was es geeignet für die Implementierung des Anreizmechanismus von Boundless, PoVW (Proof of Verifiable Work), macht.

Darüber hinaus zielt Boundless, während es derzeit RISC Zero zkVM als Standard-Ausführungsumgebung nutzt, auf ein universelles Design ab, das nicht von spezifischen Beweissystemen abhängig ist. Tatsächlich beinhaltet der Fahrplan von Boundless Pläne, andere zkVM-Backends wie Succincts SP1, zkSyncs Boojum und Jolt zu unterstützen, sodass Entwickler Boundless nutzen können, während sie Anwendungen in ihrer gewohnten Weise erstellen, ohne an spezifische Entwicklungstools oder -umgebungen gebunden zu sein.

Mit anderen Worten, Boundless hat die zkVM von RISC Zero aufgrund dieser Vorteile übernommen. Dies kann als Grundlage betrachtet werden, die Vielseitigkeit, Leistung und Entwicklungsfreundlichkeit maximal nutzt, während sie sich langfristig zu einer flexiblen Plattform entwickeln kann, die verschiedene Entwicklungstools und -umgebungen umfasst.

Lassen Sie uns nun die Architektur und den Betriebsmechanismus von Boundless im Detail untersuchen.

2.2. Boundless-Protokollarchitektur

Boundless besteht aus zwei Hauptteilnehmern, App und Prover, und setzt sich aus Verträgen und Streams zusammen, die diese Teilnehmer verbinden.

• App: Eine Anwendung, die die Verifizierung bestimmter Berechnungen unter Verwendung des Boundless-Systems anfordert
• Prover: Eine Entität, die die von Anwendungen angeforderten Berechnungen tatsächlich off-chain durchführt und kryptographische Beweise erstellt, die zeigen, dass die Berechnungen korrekt ausgeführt wurden
• Verifikator-Vertrag: Ein Smart Contract, der die kryptographische Gültigkeit der von Provern on-chain erzeugten Beweise verifiziert und technisch nur den Wahrheitswert (True/False) der Beweise beurteilt
• Markt-Vertrag: Ein Kernvertrag, der als Koordinator des Boundless-Ökosystems fungiert und Rollen der Beweisvermittlung, Verifizierungsanfragen und Zahlungsabwicklung übernimmt
• App-Vertrag: Ein app-eigener Vertrag, der die finalen Verifizierungsabschlusssignale (und Ergebnisse) vom Marktvertrag empfängt und die nächste Logik der Anwendung ausführt oder den Endzustand on-chain unter Verwendung der verifizierten Daten speichert
• Off-chain-Order-Stream: Eine Kommunikationskomponente, die wichtige Off-chain-Daten (Anfragen/Antworten) wie App-Beweisanfragen und Prover-Auktionsgebotes broadcastet

Der Verifikator-Vertrag und der Markt-Vertrag von Boundless werden auf Abwicklungsketten (Settlement Chains) wie Ethereum und Base bereitgestellt und betrieben. Zusätzlich operieren auch von Anwendungsentwicklern bereitgestellte App-Verträge basierend auf diesen Abwicklungsketten, empfangen verifizierte Beweise und führen Geschäftslogik aus.

Im Gegensatz dazu führen Prover zkVM-Programme aus und erzeugen Beweise unter Verwendung ihrer Hardware off-chain, außerhalb der für die Abwicklung bestimmten Schicht, und erhalten Belohnungen gemäß dem PoVW-Mechanismus, wenn die Korrektheit der erzeugten Beweise verifiziert ist.

Des Weiteren können Anwendungen Berechnungsanfragen direkt über On-Chain-Transaktionen an den Marktvertrag senden. Wenn Zensurresistenz weniger kritisch ist, können sie jedoch den Austausch von Beweisanfragen über Order-Streams off-chain abwickeln.

Boundless verfügt somit über eine Struktur, die durch ein hybrides Design die Effizienz maximiert, wobei Verifizierungs- und Zahlungsprozesse, die Vertrauen und Sicherheit erfordern, on-chain abgewickelt werden, während die rechenintensive Erzeugung von Beweisen off-chain erfolgt.

2.2.1. Detaillierter Betriebsprozess

Der Betriebsprozess von Boundless verläuft in sechs Phasen von der App-Beweisanfrage bis zur Nutzung des Endergebnisses.

1. Einreichung der Beweisanfrage: App-Beweisanfragen können on-chain (direkte Transaktion an den Marktvertrag) oder off-chain (Broadcast über Order-Stream) eingereicht werden. Die Anfragen enthalten Informationen über das auszuführende Programm, die Eingabedaten und die Bedingungen für die Prover-Auktion
2. Gebot des Provers und Sperrung: Wenn eine Anfrage broadcastet wird, beginnt eine umgekehrte holländische Auktion. Der Preis startet bei einem Minimum und steigt über die Zeit bis zu einem Maximum, und Prover können zu ihrem gewünschten Zeitpunkt bieten, indem sie eine Sicherheit hinterlegen und die Anfrage sperren
3. Beweiserzeugung: Der Prover, der die Sperrung ausgeführt hat, führt das zkVM-Programm mit seiner Hardware off-chain aus und erzeugt einen Beweis. Um die Effizienz zu steigern, werden mehrere Anfragen zu Batches zusammengefasst, um einen zusammengesetzten Beweis mit einer Merkle-Baumstruktur zu erzeugen
4. Einreichung und Verifizierung des Beweises: Der Prover reicht den zusammengesetzten Beweis beim Marktvertrag ein, der ihn zur Verifizierung an den Verifikator-Vertrag weiterleitet. Wenn die Verifizierung erfolgreich ist, erhält der Prover Belohnungen und die Sicherheit wird zurückerstattet
5. Empfang und Neuverifizierung des Beweises: Die App erkennt das Abschlussereignis, ruft den Merkle-Inklusionsbeweis ab und übermittelt ihn an den App-Vertrag. Der App-Vertrag verifiziert den Beweis unabhängig erneut über den Verifikator-Vertrag, um die Genauigkeit des Ergebnisses zu bestätigen
6. Ergebnisnutzung: Wenn die Verifizierung erfolgreich ist, führt der App-Vertrag die Geschäftslogik auf der Grundlage der bewiesenen Ergebnisse aus. Ergebnisse komplexer Berechnungen, die off-chain durchgeführt wurden, können sicher on-chain genutzt werden, ohne dass alle Knoten eine Neuberechnung durchführen müssen

Durch diese Methode verfügt Boundless über eine Struktur, die eine zuverlässige Berechnungsausführung, transparente Verifizierung und automatisierte Abwicklung auch in einer dezentralen Umgebung realisiert.

3. Aktueller Status und wichtige Kooperationsfälle

Am 15. September 2024 startete Boundless offiziell basierend auf der Base-Kette und führte einen $ZKC-Token-Airdrop für incentivierte Testnet-Teilnehmer durch, die seit Juli teilnahmen. Boundless öffnete anschließend die Staking-Funktionalität und bot$ZKC-Haltern zusätzlichen Nutzen.

Seit dem Start bis zum Erstellungsdatum des 27. Oktober betrug die kumulative Anzahl der über Boundless ausgeführten Beweisanfragen 1,4 Millionen, was etwa die doppelte Leistung gegenüber Succinct zeigt, einem konkurrierenden Protokoll, das früher als Boundless gestartet wurde.

Das Boundless-Team verfolgt aktiv Kooperationen mit anderen Protokollen, um mehr Benutzer anzuziehen und das Ökosystem zu erweitern. Die wichtigsten laufenden Kooperationsfälle sind folgende:

3.1. EigenLayer: Verbesserung der AVS-Slashing-Verifizierung

Das Restaking-Protokoll EigenLayer plant, die Logik zur Slashing-Verifizierung für AVS-Betreiber (Actively Validated Services) mithilfe von Boundless effizient zu bewältigen.

Das auf der zkVM basierende Prover-Netzwerk von Boundless sammelt und berechnet periodisch Staking-Bilanzinformationen aus verschiedenen Quellen, einschließlich Ethereum, und fasst die Ergebnisse als Wurzeln von Merkle-Bäumen zusammen. On-Chain-Verifizierungsverträge bestätigen eingereichte Beweise, um den Einsatzstatus jedes Validators zu verstehen und bei erkannten Regelverstößen kostengünstig ein Slashing durchzuführen.

In diesem Prozess werden alle komplexen Berechnungen off-chain durchgeführt, und nur einfache Zero-Knowledge-Beweise werden on-chain eingereicht. Berechnungen, die bei direkter Ausführung in Solidity Zehntausende an Gas kosten würden, werden durch eine einzige Beweisverifizierung ersetzt, was eine Reduzierung der Gaskosten um bis zu 99,9 % erwartet. Boundless fährt derzeit mit der Integration in EigenLayer fort.

3.2. Celestia: Data Availability (DA) Proof

Celestia, eine modulare Data-Availability-Schicht, arbeitete mit RISC Zero zusammen, um Blobstream Zero zu entwickeln, ein auf zkVM basierendes Cross-Chain-Nachrichtenprotokoll.

In Blobstream Zero beweisen Boundless Prover off-chain, dass alle Transaktionsdaten in Celestia-Blöcken tatsächlich im Netzwerk gespeichert und gehalten werden, und reichen dies als komprimierte Zero-Knowledge-Beweise bei anderen Ketten ein. Infolgedessen können Verträge auf anderen Ketten der Datenverfügbarkeit von Celestia vertrauen, indem sie einfach diesen kleinen Nachweis verifizieren.

Da die Boundless zkVM mehrere DA-Verifizierungsaufgaben in einem einzigen Nachweis zusammenfassen kann, können Rollups oder Anwendungen, die Celestia als DA-Layer nutzen, eine kostengünstige und hoch vertrauenswürdige Datenverfügbarkeitsverifizierung durchführen, ohne die gesamten Daten direkt zu speichern oder komplexe Stichprobenverfahren durchzuführen.

Blobstream Zero wird derzeit als Open-Source-Projekt entwickelt und im Mainnet-Umfeld angewendet.

4. Wettbewerbsumfeld und Differenzierungsfaktoren

Derzeit umfasst das Feld der zkVM mehrere Wettbewerber wie Succincts SP1, Polygons Miden und Scrolls zkEVM, wobei jedes Projekt unterschiedliche strategische Schwerpunkte für den Erfolg seiner jeweiligen virtuellen Maschinen setzt.

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Boundless verfügt im Vergleich zu anderen konkurrierenden Projekten über drei kerndifferenzierende Merkmale:

• VM-agnostisch (Vielseitigkeit): Bietet eine technische Grundlage, die Berechnungen durchführen und Nachweise generieren kann, unabhängig von VM (EVM, RISC-V usw.) oder Blockchain-Umgebung
• Ökosystem-Skalierbarkeit: Errichtet ein wirtschaftliches Ökosystem, in dem jeder als Prover teilnehmen, Berechnungen durchführen und Belohnungen erhalten kann
• Offener Marktplatz: So konzipiert, dass das Netzwerk durch die freiwillige Motivation der Marktteilnehmer und nicht durch Subventionen zentraler Entitäten gewartet und wächst, durch eine dezentrale Struktur des Nachweismarktplatzes

Besonders ermutigend ist, dass Boundless eine Struktur des positiven Kreislaufs geschaffen hat, indem es das wirtschaftliche Anreizmodell, die Kernantriebskraft der Blockchain-Industrie, auf den Markt für Nachweisgenerierung angewendet hat, bei dem Teilnehmer Belohnungen für die Bereitstellung von Rechenressourcen erhalten und das Netzwerk eine nachhaltige Skalierbarkeit und Dezentralisierung erreicht.

Durch dies lässt sich Boundless so interpretieren, dass es eine Strategie verfolgt, um „ein wirtschaftliches Netzwerk zu schaffen, in dem jeder Zero-Knowledge-Beweise anbieten und konsumieren kann“, anstatt sich auf den technischen Wettbewerb zu beschränken, „wie schnell ist meine zkVM“. Dieser Ansatz positioniert Boundless als „ZK Proof-as-a-Service“ – eine vielseitige und skalierbare Infrastruktur, die nicht auf spezifische Anwendungsfälle beschränkt ist.

5. Fazit

Boundless präsentiert eine grundlegende Lösung für Blockchain-Skalierbarkeitsprobleme. Durch die Nutzung von RISC Zeros zkVM-Technologie, um komplexe Berechnungen off-chain zu verarbeiten und nur die Ergebnisgenauigkeit on-chain effizient zu verifizieren, überwindet es die strukturellen Grenzen bestehender Blockchain-Netzwerke wie Ethereum.

Der größte Unterschied von Boundless besteht darin, dass es den Prozess der Zero-Knowledge-Nachweisgenerierung über eine bloße Verbesserung der technischen Leistung hinaus in einen dezentralen Nachweismarkt integriert hat. Dieses System, bei dem jeder als Prover teilnehmen, Rechenressourcen bereitstellen und eine Vergütung erhalten kann, schafft eine nachhaltige Grundlage, auf der das Netzwerk autonom wachsen und gewartet werden kann, ohne Subventionen von zentralen Entitäten.

Während Boundless jedoch eine Vision hat, sich in verschiedene industrielle Bereiche wie KI, Finanzsimulation und Großdatenanalyse zu_expandieren, konzentrieren sich die bislang bestätigten Nachfrage- und Kooperationsfälle auf die Blockchain-Industrie. Daher ist es notwendig, die Leistung des Mainnet-Betriebs und den Nachweis der technischen Zuverlässigkeit genau zu beobachten, um festzustellen, ob Boundless tatsächlich über die Blockchain hinaus in traditionelle Industriesektoren expandieren kann.

Wenn Boundless diese Herausforderungen erfolgreich bewältigt und über verschiedene Branchen hinweg jenseits der Blockchain übernommen wird, wird erwartet, dass es zu einem bedeutenden Fall wird, der das Potenzial von zkVM-Technologie demonstriert, sich als universelle Recheninfrastruktur zu etablieren, während es zeigt, dass verifizierbales Rechnen praktischen Wert über Branchen hinweg bietet.

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Referenzen

• Bondless Explorer
• Celestia Docs
• Boundless Docs
• Boundless Blog, Scaling EigenLayer's Security
• Fenbushi Capital, Benchmarking zkVMs: Current State and Prospects
• Yunjeong Heo, Exploring the Landscape of zkVMs
• twi, RISC-V, zkVM 그리고 succinct