Boundless: zkVM e computazione verificabile su larga scala

1. Introduzione

La rete Ethereum mantiene un elevato livello di sicurezza e decentralizzazione attraverso una struttura in cui tutti i nodi eseguono ripetutamente calcoli identici. Di conseguenza, all'aumentare del numero di nodi, il processo di consenso diventa più complesso, l'overhead di sincronizzazione tra i nodi cresce e la throughput della rete è vincolata dalla velocità del nodo più lento, resulting in una ridotta efficienza complessiva della rete.

Per affrontare queste limitazioni, l'industria blockchain ha perseguito vari approcci per superare le sfide di scalabilità. Esempi degni di nota includono le soluzioni di scalabilità di Ethereum come Rollups e Sharding, che mirano a migliorare la scalabilità preservando l'architettura fondante di Ethereum.

Tuttavia, non tutti i progetti hanno seguito lo stesso percorso. Alcune blockchain, rappresentate da Solana e Sui, hanno adottato architetture monolitiche che privilegiano l'alta scalabilità anche a costo di parte della sicurezza e decentralizzazione, assicurandosi una posizione nel settore enfatizzando l'elaborazione rapida delle transazioni e un'esperienza utente migliorata.

In definitiva, l'ecosistema blockchain si è sviluppato lungo due traiettorie parallele: 1) un percorso che cerca un'espansione graduale mantenendo sicurezza e decentralizzazione, e 2) un percorso che prioritizza la scalabilità immediata. Tuttavia, il primo affronta limitazioni nella velocità di espansione, mentre il secondo richiede compromessi in termini di decentralizzazione e sicurezza.

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1.1 L'emergere della zkVM

In questo contesto, la zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) sta guadagnando attenzione come nuova alternativa.

La zkVM è una tecnologia che esegue operazioni di smart contract in una macchina virtuale capace di generare prove a conoscenza zero (ZK-Proofs) e garantisce l'accuratezza dei risultati attraverso prove compatte. Questo consente di gestire calcoli complessi e l'elaborazione su larga scala di dati off-chain, mentre solo la verifica dei risultati viene eseguita on-chain, riducendo il carico sulla catena e assicurando la scalabilità.

In sostanza, la zkVM sintetizza i vantaggi e gli svantaggi delle soluzioni di scalabilità descritte sopra, fornendo una scalabilità a livello di catena monolitica mantenendo sicurezza e decentralizzazione. Attraverso questa tecnologia, l'industria blockchain ha acquisito un nuovo percorso di sviluppo che può simultaneamente assicurare sia sicurezza che scalabilità.

I vantaggi che le blockchain possono ottenere adottando la tecnologia zkVM includono:

• Costi di Verifica Prevedibili: I costi di verifica rimangono costanti indipendentemente dalla complessità del calcolo, garantendo una struttura dei costi stabile e prevedibile anche quando si gestiscono applicazioni con complessità significativamente aumentata
• Armonia tra Decentralizzazione ed Efficienza: Mentre si preservano i punti di forza intrinseci della blockchain come decentralizzazione e integrità, i calcoli effettivi vengono elaborati off-chain, migliorando l'efficienza complessiva della rete
• Alta Sicurezza e Affidabilità: Gli utenti possono ricevere la prova che i risultati sono stati calcolati accuratamente senza verificare direttamente i risultati del calcolo, rafforzando l'affidabilità della rete e consentendo l'elaborazione sicura di calcoli complessi
• Possibilità Applicative Estese: Dato che calcoli su larga scala che erano difficili da gestire on-chain diventano fattibili, la blockchain può espandersi in vari ambiti applicativi come l'intelligenza artificiale, la simulazione finanziaria e l'analisi su larga scala di dati

Così, la zkVM va oltre il semplice miglioramento delle prestazioni della blockchain; attraverso la separazione tra calcolo e verifica, risolve i problemi di scalabilità affrontati dalla blockchain preservando i vantaggi delle reti decentralizzate, stabilendo una base per un utilizzo più attivo della blockchain in campi diversi come l'IA, la finanza e l'analisi dati. Tuttavia, poiché la zkVM è stata sviluppata e discussa solo di recente, la tecnologia non ha ancora raggiunto la fase di adozione diffusa in tutto il settore.

A questo punto, Boundless mira a diventare un leader nella zkVM fornendo un ambiente che può essere immediatamente applicato in ambito industriale, andando oltre la mera implementazione della zkVM.

2. Boundless: Superare i Limiti della Scalabilità

Boundless è un livello di calcolo verificato a conoscenza zero sviluppato dal team RISC Zero, progettato come protocollo di marketplace per prove a conoscenza zero che elabora in modo efficiente calcoli complessi e abilita una verifica sicura. Quando le blockchain o le applicazioni richiedono calcoli ad alte prestazioni, possono richiederli alla rete Boundless, e chiunque può diventare un partecipante, eseguendo i calcoli e sottomettendo le prove per guadagnare ricompense.

Il meccanismo centrale di Boundless è la separazione tra calcolo e verifica. Invece che tutti i nodi on-chain eseguano ripetutamente calcoli identici, nodi specifici elaborano i calcoli complessi off-chain e verificano l'esecuzione attraverso prove a conoscenza zero. Questo permette alla rete di assicurare l'affidabilità dei risultati senza richiedere un ricalcolo completo, diventando un meccanismo chiave per risolvere i problemi di scalabilità della blockchain.

2.1. La zkVM di Boundless

Boundless è costruita sulla zkVM sviluppata internamente da RISC Zero. La zkVM di RISC Zero ha una struttura che può eseguire programmi arbitrari usando istruzioni RISC-V di uso generale e generare ricevute crittografiche che provano che l'esecuzione è stata eseguita correttamente.

Dato che la zkVM gestisce automaticamente la generazione complessa di prove a conoscenza zero, gli sviluppatori che la utilizzano possono scrivere programmi compatibili con zkVM e sviluppare programmi verificabili in linguaggi familiari come Rust e C++ senza conoscenze crittografiche separate.

Inoltre, la zkVM di RISC Zero è un sistema di prove basato su STARK ad alte prestazioni che può misurare il carico di calcolo in unità di cicli CPU RISC-V, rendendolo adatto per implementare il meccanismo di incentivi di Boundless, PoVW (Proof of Verifiable Work).

Inoltre, sebbene Boundless utilizzi attualmente la zkVM di RISC Zero come ambiente di esecuzione predefinito, mira a un design universale che non sia dipendente da sistemi di prova specifici. Di fatto, la roadmap di Boundless include piani per supportare altri backend zkVM come SP1 di Succinct, Boojum di zkSync e Jolt, consentendo agli sviluppatori di utilizzare Boundless creando applicazioni nel loro modo familiare senza essere bloccati in strumenti o ambienti di sviluppo specifici.

In altre parole, Boundless ha adottato la zkVM di RISC Zero basandosi su questi vantaggi, e si può considerare come aver stabilito una fondazione che massimizza l'utilizzo di versatilità, prestazioni e comodità di sviluppo, pur essendo in grado di evolvere in una piattaforma flessibile che comprende vari strumenti e ambienti di sviluppo nel lungo termine.

Esaminiamo ora l'architettura e il meccanismo di funzionamento di Boundless in dettaglio.

2.2. Architettura del Protocollo Boundless

Boundless è composta da due partecipanti principali, App e Prover, ed è formata da contratti e flussi che connettono questi partecipanti.

• App: Un'applicazione che richiede la verifica di calcoli specifici utilizzando il sistema Boundless.
• Prover: Un'entità che esegue effettivamente i calcoli richiesti dalle app off-chain e genera prove crittografiche che dimostrano che i calcoli sono stati eseguiti correttamente.
• Verifier Contract: Uno smart contract che verifica la validità crittografica delle prove generate dai prover on-chain, valutando tecnicamente solo il valore di verità (Vero/Falso) delle prove.
• Market Contract: Un contratto principale che funge da coordinatore dell'ecosistema Boundless, eseguendo i ruoli di intermediazione delle prove, richieste di verifica ed elaborazione dei pagamenti.
• App Contract: Un contratto di proprietà dell'app che riceve i segnali di completamento della verifica finale (e i risultati) dal market contract ed esegue la logica successiva dell'applicazione o memorizza lo stato finale on-chain utilizzando i dati verificati.
• Off-chain Order Stream: Un componente di comunicazione che trasmette i principali dati off-chain (richieste/risposte) come le richieste di prova dell'app e le offerte d'asta del prover.

Il contratto di verifica e il contratto di mercato di Boundless sono distribuiti e operati su reti dedicate al regolamento (Settlement Chains) come Ethereum e Base. Inoltre, i contratti delle app distribuiti dagli sviluppatori di applicazioni operano anch'essi basandosi su queste reti dedicate al regolamento, ricevendo le prove verificate ed eseguendo la logica di business.

Al contrario, i prover eseguono i programmi zkVM e generano prove utilizzando il loro hardware off-chain, fuori dal livello dedicato al regolamento, e ricevono ricompense in base al meccanismo PoVW quando la correttezza delle prove generate viene verificata.

Inoltre, sebbene le app possano inviare richieste di calcolo direttamente al market contract tramite transazioni on-chain, quando la resistenza alla censura è meno critica, possono scambiare richieste di prova off-chain tramite flussi di ordini.

Così, Boundless ha una struttura che massimizza l'efficienza attraverso un design ibrido in cui i processi di verifica e pagamento che richiedono fiducia e sicurezza sono gestiti on-chain, mentre la generazione di prove intensiva dal punto di vista computazionale viene eseguita off-chain.

2.2.1. Processo Operativo Dettagliato

Il processo operativo di Boundless procede attraverso sei fasi, dalle richieste di prova dell'applicazione all'utilizzo del risultato finale.

1. Invio della Richiesta di Prova: Le richieste di prova dell'app possono essere inviate on-chain (transazione diretta al market contract) o off-chain (trasmissione tramite flusso di ordini). Le richieste includono informazioni sul programma da eseguire, i dati di input e le condizioni dell'asta del prover.
2. Offerta e Blocco del Prover: Quando una richiesta viene trasmessa, inizia un'asta olandese inversa. Il prezzo parte dal minimo e sale al massimo nel tempo, e i prover possono fare un'offerta nel loro punto temporale desiderato, depositando una garanzia e bloccando la richiesta.
3. Generazione della Prova: Il prover che ha eseguito il blocco esegue il programma zkVM con il proprio hardware off-chain e genera una prova. Per efficienza, più richieste vengono raggruppate in lotti per generare una prova aggregata strutturata come albero di Merkle.
4. Invio e Verifica della Prova: Il prover invia la prova aggregata al market contract, che la inoltra al verifier contract per la verifica. Quando la verifica ha successo, il prover riceve le ricompense e la garanzia viene restituita.
5. Ricezione e R verifica della Prova: L'app rileva l'evento di completamento, recupera la prova di inclusione Merkle e la trasmette all'app contract. L'app contract verifica nuovamente in modo indipendente la prova tramite il verifier contract per confermare l'accuratezza del risultato.
6. Utilizzo del Risultato: Quando la verifica ha successo, l'app contract esegue la logica di business basandosi sui risultati provati. I risultati di calcoli complessi eseguiti off-chain possono essere utilizzati in sicurezza on-chain senza ricalcolo da parte di tutti i nodi.

Attraverso questo metodo, Boundless ha una struttura che realizza un'esecuzione affidabile dei calcoli, una verifica trasparente e un regolamento automatizzato anche in un ambiente decentralizzato.

3. Stato Attuale e Casi Chiave di Collaborazione

Il 15 settembre 2024, Boundless è stato lanciato ufficialmente basandosi sulla chain Base e ha condotto un airdrop del token $ZKC per i partecipanti alla testnet incentivata che partecipavano da luglio. Boundless ha successivamente aperto la funzionalità di staking, fornendo un'ulteriore utilità ai detentori di$ZKC.

Dal lancio fino alla data di scrittura del 27 ottobre, le richieste di prova cumulative eseguite tramite Boundless totalizzano 1,4 milioni, mostrando prestazioni approssimativamente doppie rispetto a Succinct, un protocollo concorrente lanciato prima di Boundless.

Il team di Boundless sta perseguendo attivamente collaborazioni con altri protocolli per attirare più utenti ed espandere l'ecosistema, con i seguenti casi chiave di collaborazione in corso:

3.1. EigenLayer: Miglioramento della Verifica dello Slashing AVS

Il protocollo di restaking EigenLayer prevede di gestire in modo efficiente la logica di verifica dello slashing per gli operatori AVS (Actively Validated Services) utilizzando Boundless.

La rete di prover basata su zkVM di Boundless raccoglie periodicamente e calcola le informazioni sul saldo dello staking da varie fonti, inclusi Ethereum, riassumendo i risultati come radici di alberi di Merkle. I contratti di verifica on-chain confermano le prove inviate per comprendere lo stato della puntata di ogni validatore ed eseguono lo slashing a basso costo quando vengono rilevate violazioni delle regole.

In questo processo, tutti i calcoli complessi vengono eseguiti off-chain, e solo semplici prove a conoscenza zero vengono inviate on-chain. I calcoli che costerebbero decine di milioni di gas se eseguiti direttamente in Solidity vengono sostituiti da una singola verifica di prova, con un previsto risparmio dei costi di gas fino al 99,9%. Boundless sta attualmente procedendo con l'integrazione con EigenLayer.

3.2. Celestia: Prova di Disponibilità dei Dati (DA)

Celestia, un livello di disponibilità dei dati modulare, ha collaborato con RISC Zero per sviluppare Blobstream Zero, un protocollo di messaggistica cross-chain basato su zkVM.

In Blobstream Zero, i prover Boundless dimostrano off-chain che tutti i dati delle transazioni all'interno dei blocchi Celestia sono effettivamente archiviati e mantenuti nella rete, inviando questa prova come prove a conoscenza zero compresse ad altre catene. Di conseguenza, i contratti su altre catene possono fidarsi della disponibilità dei dati di Celestia verificando semplicemente questa piccola prova.

In particolare, poiché Boundless zkVM può consolidare più attività di verifica DA in un'unica prova, i rollup o le applicazioni che utilizzano Celestia come livello DA possono eseguire una verifica della disponibilità dei dati a basso costo e alta fiducia senza dover archiviare direttamente l'intero insieme di dati o eseguire procedure di campionamento complesse.

Blobstream Zero è attualmente sviluppato in forma open-source pubblica ed è applicato nell'ambiente mainnet.

4. Ambiente Competitivo e Fattori di Differenziazione

Attualmente, il campo zkVM include diversi competitor come SP1 di Succinct, Miden di Polygon e zkEVM di Scroll, con ogni progetto che pone diversi focus strategici per il successo delle rispettive macchine virtuali.

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Boundless presenta tre caratteristiche distintive fondamentali rispetto ad altri progetti concorrenti:

• Indipendente dalla VM (Versatilità) : Fornisce una base tecnica in grado di eseguire calcoli e generare prove indipendentemente dalla VM (EVM, RISC-V, ecc.) o dall'ambiente blockchain
• Scalabilità dell'Ecosistema : Costruisce un ecosistema economico in cui chiunque può partecipare come prover, eseguire calcoli e ricevere ricompense
• Mercato Aperto : Progettato affinché la rete sia mantenuta e cresca attraverso la motivazione volontaria dei partecipanti al mercato piuttosto che tramite sussidi da enti centrali, tramite una struttura di mercato delle prove decentralizzata

È particolarmente incoraggiante che Boundless abbia costruito una struttura di ciclo virtuoso applicando il modello di incentivi economici, che è la forza trainante centrale dell'industria blockchain, al mercato della generazione di prove, dove i partecipanti ottengono ricompense per fornire risorse computazionali e la rete raggiunge scalabilità e decentralizzazione sostenibili.

Attraverso questo, Boundless può essere visto come l'esecuzione di una strategia per "creare una rete economica in cui chiunque può fornire e consumare prove a conoscenza zero", andando oltre la competizione tecnica di "quanto è veloce il mio zkVM". Questo approccio posiziona Boundless come 'ZK Proof-as-a-Service'—un'infrastruttura versatile e scalabile non confinata a casi d'uso specifici.

5. Conclusione

Boundless presenta una soluzione fondamentale ai problemi di scalabilità della blockchain. Utilizzando la tecnologia zkVM di RISC Zero per elaborare calcoli complessi off-chain e verificare in modo efficiente solo l'accuratezza dei risultati on-chain, supera i limiti strutturali delle reti blockchain esistenti come Ethereum.

Il più grande differenziatore di Boundless è che ha integrato il processo di generazione di prove a conoscenza zero in un mercato delle prove decentralizzato, andando oltre il semplice miglioramento delle prestazioni tecniche. Questo sistema, in cui chiunque può partecipare come prover, fornire risorse computazionali e ricevere compensazione, stabilisce una base sostenibile in cui la rete può crescere ed essere mantenuta in modo autonomo senza sussidi da enti centrali.

Tuttavia, sebbene Boundless abbia una visione di espansione in vari settori industriali come l'IA, la simulazione finanziaria e l'analisi su larga scala dei dati, la domanda e i casi di collaborazione confermati ad oggi sono concentrati nell'industria blockchain. Pertanto, è necessario monitorare da vicino le prestazioni operative della mainnet e la prova dell'affidabilità tecnica per vedere se Boundless può espandersi effettivamente oltre la blockchain nei settori industriali tradizionali.

Se Boundless affronta con successo queste sfide e viene adottato in vari settori industriali oltre la blockchain, ci si aspetta che diventi un caso importante che dimostra il potenziale della tecnologia zkVM per affermarsi come infrastruttura di calcolo di uso generale, mostrando al contempo che il calcolo verificabile fornisce valore pratico attraverso le industrie.

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Riferimenti

• 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