Boundless: Een zkVM-marktprotocol voor schaalbare verificatie

1. Inleiding

Het Ethereum-netwerk behoudt een hoog beveiligingsniveau en decentralisatie via een structuur waarbij alle knooppunten herhaaldelijk identieke berekeningen uitvoeren. Als gevolg hiervan wordt het consensusproces complexer naarmate het aantal knooppunten toeneemt, groeit de synchronisatie-overhead tussen knooppunten en wordt de doorvoer van het netwerk beperkt door de snelheid van het langzaamste knooppunt, wat leidt tot een verminderde algehele netwerkefficiëntie.

Om deze beperkingen aan te pakken, heeft de blockchain-industrie verschillende benaderingen nagestreefd om schaalbaarheidsuitdagingen te overwinnen. Opvallende voorbeelden zijn Ethereum-schaalbaarheidsoplossingen zoals Rollups en Sharding, die tot doel hebben de schaalbaarheid te verbeteren waarbij de fundamentele architectuur van Ethereum behouden blijft.

Niet alle projecten hebben echter dezelfde weg gevolgd. Sommige blockchains, vertegenwoordigd door Solana en Sui, hebben monolithische architecturen aangenomen die een hoge schaalbaarheid prioriteren, zelfs ten koste van enige beveiliging en decentralisatie, en hebben hun positie in de industrie versterkt door de nadruk te leggen op snelle transactieverwerking en een verbeterde gebruikerservaring.

Uiteindelijk heeft het blockchain-ecosysteem zich langs twee parallelle trajecten ontwikkeld: 1) een pad dat graduele expansie nastreeft onder behoud van beveiliging en decentralisatie, en 2) een pad dat onmiddellijke schaalbaarheid prioriteert. Het eerste traject ondervindt echter beperkingen in de expansiesnelheid, terwijl het tweede traject compromissen vereist op het gebied van decentralisatie en beveiliging.

!바운드리스.002.jpeg

1.1 De opkomst van zkVM

In deze context krijgt zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) aandacht als een nieuw alternatief.

zkVM is een technologie die smartcontract-bewerkingen uitvoert in een virtuele machine die in staat is om nulkennisbewijzen (ZK-Proofs) te genereren en de nauwkeurigheid van resultaten garandeert via compacte bewijzen. Hierdoor kunnen complexe berekeningen en grootschalige gegevensverwerking off-chain worden afgehandeld, terwijl alleen resultaatverificatie on-chain plaatsvindt, wat de belasting op de keten vermindert en schaalbaarheid waarborgt.

In essentie synthetiseert zkVM de voor- en nadelen van de hierboven beschreven schaalbaarheidsoplossingen en biedt het monolithische schaalbaarheid op ketenniveau terwijl de beveiliging en decentralisatie behouden blijven. Via deze technologie heeft de blockchain-industrie een nieuw ontwikkelingspad verworven dat zowel beveiliging als schaalbaarheid tegelijkertijd kan waarborgen.

De voordelen die blockchains kunnen behalen door de adoptie van zkVM-technologie zijn onder meer:

• Voorspelbare verificatiekosten: Verificatiekosten blijven constant ongeacht de rekencomplexiteit, wat zorgt voor een stabiele en voorspelbare kostenstructuur, zelfs bij toepassingen met een aanzienlijk toegenomen complexiteit
• Harmonie tussen decentralisatie en efficiëntie: Terwijl de inherente sterke punten van blockchain, zoals decentralisatie en integriteit, behouden blijven, worden daadwerkelijke berekeningen off-chain verwerkt, wat de algehele netwerkefficiëntie verhoogt
• Hoge beveiliging en betrouwbaarheid: Gebruikers kunnen bewijs ontvangen dat resultaten nauwkeurig zijn berekend zonder de rekenresultaten direct te verifiëren, wat de netwerkbetrouwbaarheid versterkt en de veilige verwerking van complexe berekeningen mogelijk maakt
• Uitgebreide toepassingsmogelijkheden: Aangezien grootschalige berekeningen die moeilijk on-chain te verwerken waren, haalbaar worden, kan blockchain uitbreiden naar diverse toepassingsgebieden zoals kunstmatige intelligentie, financiële simulatie en grootschalige gegevensanalyse

zkVM gaat dus verder dan het simpelweg verbeteren van de blockchain-prestaties; door de scheiding van berekening en verificatie lost het de schaalbaarheidsproblemen waarmee blockchain wordt geconfronteerd op, waarbij het de voordelen van gedecentraliseerde netwerken behoudt, en legt het een fundament voor actiever blockchain-gebruik in diverse velden zoals AI, financiën en gegevensanalyse. Aangezien zkVM echter pas recentelijk is ontwikkeld en besproken, heeft de technologie de fase van wijdverspreide adoptie in de industrie nog niet bereikt.

Op dit kruispunt streeft Boundless ernaar een leider te worden in zkVM door een omgeving te bieden die onmiddellijk in industriële omgevingen kan worden toegepast, verder gaand dan de loutere implementatie van zkVM.

2. Boundless: Doorbreken van schaalbaarheidslimieten

Boundless is een door nulkennis geverifieerde computatielaag ontwikkeld door het RISC Zero-team, ontworpen als een protocol voor een marktplek voor nulkennisbewijzen die complexe berekeningen efficiënt verwerkt en veilige verificatie mogelijk maakt. Wanneer blockchains of applicaties high-performance computing vereisen, kunnen ze dit aanvragen bij het Boundless-netwerk, en kan iedereen deelnemer worden, berekeningen uitvoeren en bewijzen indienen om beloningen te verdienen.

De kernmechanismen van Boundless zijn de scheiding van berekening en verificatie. In plaats van dat alle knooppunten op de keten herhaaldelijk identieke berekeningen uitvoeren, verwerken specifieke knooppunten complexe berekeningen off-chain en verifiëren ze de uitvoering via nulkennisbewijzen. Dit stelt het netwerk in staat om de betrouwbaarheid van resultaten te waarborgen zonder volledige herberekening, waardoor het een sleutelmechanisme wordt voor het oplossen van blockchain-schaalbaarheidsproblemen.

2.1. De zkVM van Boundless

Boundless is gebouwd op de door RISC Zero zelf ontwikkelde zkVM. De RISC Zero zkVM heeft een structuur die willekeurige programma's kan uitvoeren met behulp van algemene RISC-V-instructies en cryptografische ontvangstbewijzen kan genereren die bewijzen dat de uitvoering correct is uitgevoerd.

Aangezien de zkVM automatisch de generatie van complexe nulkennisbewijzen afhandelt, kunnen ontwikkelaars die deze gebruiken zkVM-compatibele programma's schrijven en verifieerbare programma's ontwikkelen in vertrouwde talen zoals Rust en C++ zonder afzonderlijke cryptografische kennis.

Daarnaast is de RISC Zero zkVM een hoogwaardig STARK-gebaseerd bewijssysteem dat de rekenwerklast kan meten in RISC-V CPU-cyclus-eenheden, waardoor het geschikt is voor het implementeren van het incentiemechanisme van Boundless, PoVW (Proof of Verifiable Work).

Verder streeft Boundless, hoewel het momenteel gebruikmaakt van RISC Zero zkVM als standaard uitvoeringsomgeving, naar een universeel ontwerp dat niet afhankelijk is van specifieke bewijssystemen. De roadmap van Boundless omvat inderdaad plannen om andere zkVM-backends te ondersteunen, zoals SP1 van Succinct, Boojum van zkSync en Jolt, waardoor ontwikkelaars Boundless kunnen benutten tijdens het maken van applicaties op hun vertrouwde manier, zonder vergrendeld te raken tot specifieke ontwikkelingshulpmiddelen of omgevingen.

Met andere woorden, Boundless heeft RISC Zero's zkVM aangenomen op basis van deze voordelen. Dit kan worden gezien als het vestigen van een fundament dat veelzijdigheid, prestaties en ontwikkelaarsvriendelijkheid maximaal benut. Tegelijkertijd kan het op lange termijn evolueren tot een flexibel platform dat diverse ontwikkeltools en -omgevingen omvat.

Laten we nu de architectuur en het werkingsmechanisme van Boundless in detail bekijken.

2.2. Architectuur van het Boundless-protocol

Boundless bestaat uit twee hoofddeelnemers, App en Prover, en is samengesteld uit contracten en streams die deze deelnemers verbinden.

• App: Een applicatie die verzoekt om verificatie van specifieke berekeningen via het Boundless-systeem.
• Prover: Een entiteit die de door apps gevraagde berekeningen daadwerkelijk off-chain uitvoert en cryptografische bewijzen genereert die aantonen dat de berekeningen correct zijn uitgevoerd.
• Verifier Contract: Een smart contract dat de cryptografische geldigheid van door provers gegenereerde bewijzen on-chain verifieert. Technisch gezien beoordeelt het alleen de waarheidswaarde (True/False) van bewijzen.
• Market Contract: Een kerncontract dat fungeert als coördinator van het Boundless-ecosysteem. Het verricht taken zoals bemiddeling van bewijzen, verificatieverzoeken en verwerking van betalingen.
• App Contract: Een eigendomscontract van de app dat definitieve verificatiesignalen (en resultaten) ontvangt van het market contract. Vervolgens voert het de volgende logica van de applicatie uit of slaat het de definitieve status op-chain op met geverifieerde gegevens.
• Off-chain Order Stream: Een communicatiecomponent die belangrijke off-chain gegevens (verzoeken/antwoorden) uitzendt, zoals app-bewijsverzoeken en biedingen van provers tijdens veilingen.

Het verifier contract en het market contract van Boundless zijn geïmplementeerd en operationeel op settlement-netwerken (Settlement Chains) zoals Ethereum en Base. Daarnaast opereren ook door applicatieontwikkelaars geïmplementeerde app-contracten op basis van deze settlement-netwerken. Zij ontvangen geverifieerde bewijzen en voeren bedrijfslogica uit.

In tegenstelling hiermee voeren provers zkVM-programma's uit en genereren ze bewijzen met hun hardware off-chain, buiten de settlement-laag. Wanneer de correctheid van de gegenereerde bewijzen is geverifieerd, ontvangen ze beloningen volgens het PoVW-mechanisme.

Bovendien kunnen apps rekenverzoeken direct indienen bij het market contract via on-chain transacties. Wanneer censuurresistentie minder cruciaal is, kunnen ze bewijsverzoeken ook off-chain uitwisselen via order streams.

Hierdoor heeft Boundless een structuur die de efficiëntie maximaliseert via een hybride ontwerp. Verificatie- en betalingsprocessen die vertrouwen en beveiliging vereisen, worden on-chain afgehandeld, terwijl rekenintensieve bewijsgeneratie off-chain plaatsvindt.

2.2.1. Gedetailleerd Werkingsproces

Het werkingsproces van Boundless verloopt in zes fasen, van app-bewijsverzoeken tot het uiteindelijke gebruik van resultaten.

1. Indiening van bewijsverzoek: App-bewijsverzoeken kunnen on-chain (directe transactie naar market contract) of off-chain (broadcast via order stream) worden ingediend. Verzoeken bevatten informatie over het uit te voeren programma, inputgegevens en voorwaarden voor de prover-veiling.
2. Bieden en vergrendelen door Prover: Wanneer een verzoek wordt uitgezonden, begint een omgekeerde Nederlandse veiling. De prijs begint op een minimum en stijgt in de tijd naar een maximum. Provers kunnen op het gewenste tijdstip een bod uitbrengen, onderpand storten en het verzoek vergrendelen.
3. Bewijsgeneratie: De prover die de vergrendeling heeft uitgevoerd, draait het zkVM-programma met zijn hardware off-chain en genereert een bewijs. Voor efficiëntie worden meerdere verzoeken gebundeld in batches om een geaggregeerd bewijs met een Merkle-boomstructuur te genereren.
4. Indiening en verificatie van bewijs: De prover dient het geaggregeerde bewijs in bij het market contract, dat het doorstuurt naar het verifier contract voor verificatie. Wanneer verificatie slaagt, ontvangt de prover beloningen en wordt het onderpand geretourneerd.
5. Ontvangst en herverificatie van bewijs: De app detecteert het voltooiingsevent, haalt het Merkle-inclusiebewijs op en stuurt dit naar het app contract. Het app contract verifieert het bewijs onafhankelijk opnieuw via het verifier contract om de nauwkeurigheid van het resultaat te bevestigen.
6. Resultaatbenutting: Wanneer verificatie slaagt, voert het app contract bedrijfslogica uit op basis van de bewezen resultaten. Resultaten van complexe berekeningen die off-chain zijn uitgevoerd, kunnen veilig on-chain worden gebruikt zonder herberekening door alle knooppunten.

Via deze methode beschikt Boundless over een structuur die betrouwbare uitvoering van berekeningen, transparante verificatie en geautomatiede afwikkeling realiseert, zelfs in een gedecentraliseerde omgeving.

3. Huidige status en belangrijke samenwerkingscases

Op 15 september 2024 lanceerde Boundless officieel op basis van het Base-netwerk en voerde een $ZKC-token airdrop uit voor deelnemers aan het incentivized testnet die sinds juli meededen. Boundless opende vervolgens staking-functionaliteit en bood zo extra nut aan$ZKC-houders.

Sinds de lancering tot de schrijfdatum van 27 oktober bedraagt het totale aantal via Boundless uitgevoerde bewijsverzoeken 1,4 miljoen. Dit toont ongeveer een verdubbeling van de prestaties in vergelijking met Succinct, een concurrerend protocol dat eerder dan Boundless lanceerde.

Het Boundless-team werkt actief samen met andere protocollen om meer gebruikers aan te trekken en het ecosysteem uit te breiden. De belangrijkste lopende samenwerkingscases zijn als volgt:

3.1. EigenLayer: Verbetering van AVS Slashing-verificatie

Het restaking-protocol EigenLayer plant om de slashing-verificatielogica voor AVS (Actively Validated Services)-operators efficiënt af te handelen met behulp van Boundless.

Het prover-netwerk van Boundless, gebaseerd op zkVM, verzamelt periodiek staking-saldoinformatie van diverse bronnen, waaronder Ethereum, en berekent deze. De resultaten worden samengevat als wortels van Merkle-bomen. On-chain verificatiecontracten bevestigen ingediende bewijzen om de inzetstatus van elke validator te begrijpen en voeren tegen lage kosten een slash uit wanneer schendingen van de regels worden gedetecteerd.

In dit proces worden alle complexe berekeningen off-chain uitgevoerd en worden alleen eenvoudige zero-knowledge-bewijzen on-chain ingediend. Berekeningen die tientallen miljoenen gas zouden kosten als ze direct in Solidity zouden worden uitgevoerd, worden vervangen door één enkele bewijsverificatie. Dit wordt verwacht de gaskosten met tot 99,9% te verminderen. Boundless is momenteel bezig met de integratie met EigenLayer.

3.2. Celestia: Data Availability (DA) Proof

Celestia, een modulaire data availability-laag, werkte samen met RISC Zero om Blobstream Zero te ontwikkelen, een zkVM-gebaseerd protocol voor cross-chain messaging.

In Blobstream Zero bewijzen Boundless provers off-chain dat alle transactiegegevens binnen Celestia-blokken daadwerkelijk worden opgeslagen en onderhouden in het netwerk, en dienen dit op als gecomprimeerde zero-knowledge bewijzen aan andere ketens. Hierdoor kunnen contracten op andere ketens vertrouwen op de gegevensbeschikbaarheid van Celestia door simpelweg dit kleine bewijs te verifiëren.

In het bijzonder kan de Boundless zkVM, omdat hij meerdere DA-verificatietaken kan consolideren in één enkel bewijs, rollups of applicaties die Celestia gebruiken als hun DA-laag in staat stellen om goedkope, hoog-vertrouwens gegevensbeschikbaarheidsverificatie uit te voeren zonder de volledige gegevens direct op te slaan of complexe samplingprocedures uit te voeren.

Blobstream Zero wordt momenteel openbaar ontwikkeld als open-source en wordt toegepast in de mainnet-omgeving.

4. Competitieve omgeving en differentiatiefactoren

Op dit moment omvat het zkVM-veld verschillende concurrenten zoals Succinct's SP1, Polygon's Miden en Scroll's zkEVM, waarbij elk project verschillende strategische focusgebieden heeft voor het succes van hun respectievelijke virtuele machines.

!바운드리스.004.jpeg

Boundless heeft drie kernkenmerken die het onderscheiden van andere concurrerende projecten:

• VM-Agnostisch (Veelzijdigheid): Biedt een technische basis die berekeningen kan uitvoeren en bewijzen kan genereren ongeacht de VM (EVM, RISC-V, etc.) of blockchain-omgeving
• Ecosysteem-schaalbaarheid: Bouwt een economisch ecosysteem waarin iedereen kan deelnemen als prover, berekeningen kan uitvoeren en beloningen kan ontvangen
• Open marktplaats: Zo ontworpen dat het netwerk wordt onderhouden en groeit door de vrijwillige motivatie van marktparticipanten in plaats van subsidies van centrale entiteiten, via een gedecentraliseerde bewijs-marktplaatsstructuur

Het is bijzonder bemoedigend dat Boundless een structuur met een positieve spiraal heeft gecreëerd door het economische prikkelsmodel, de kernrijkracht van de blockchain-industrie, toe te passen op de markt voor bewijsgeneratie, waarbij deelnemers beloningen ontvangen voor het leveren van rekenkracht en het netwerk duurzame schaalbaarheid en decentralisatie bereikt.

Hierdoor kan Boundless worden gezien als een strategie die uitvoert om "een economisch netwerk te creëren waarin iedereen zero-knowledge bewijzen kan leveren en consumeren", voorbij de technische competitie van "hoe snel is mijn zkVM". Deze benadering positioneert Boundless als 'ZK Proof-as-a-Service' — een veelzijdige en schaalbare infrastructuur die niet beperkt is tot specifieke gebruiksscenario's.

5. Conclusie

Boundless presenteert een fundamentele oplossing voor blockchain-schaalbaarheidsproblemen. Door gebruik te maken van RISC Zero's zkVM-technologie om complexe berekeningen off-chain te verwerken en alleen de resultaatnauwkeurigheid efficiënt on-chain te verifiëren, overwint het de structurele beperkingen van bestaande blockchain-netwerken zoals Ethereum.

Het grootste onderscheidend vermogen van Boundless is dat het het generatieproces van zero-knowledge bewijzen heeft gebouwd als een gedecentraliseerde bewijsmarkt, voorbij het simpelweg verbeteren van technische prestaties. Dit systeem, waarin iedereen kan deelnemen als prover, rekenkracht kan leveren en compensatie kan ontvangen, vestigt een duurzame basis waarbij het netwerk autonoom kan groeien en worden onderhouden zonder subsidies van centrale entiteiten.

Echter, hoewel Boundless een visie heeft om zich uit te breiden naar verschillende industriele domeinen zoals AI, financiële simulatie en grootschalige data-analyse, zijn de vraag en samenwerkingscases die tot op heden zijn bevestigd geconcentreerd binnen de blockchain-industrie. Het is daarom noodzakelijk om de mainnet-operationele prestaties en het bewijs van technische betrouwbaarheid nauwlettend te volgen met betrekking tot de vraag of Boundless daadwerkelijk kan uitbreiden voorbij blockchain naar traditionele industriesectoren.

Als Boundless deze uitdagingen succesvol aangaat en wordt toegepast in diverse industriele gebieden voorbij blockchain, wordt verwacht dat het een belangrijk geval zal worden dat het potentieel demonstreert voor zkVM-technologie om zich te vestigen als algemene computer-infrastructuur, terwijl het laat zien dat verifieerbaar computergebruik praktische waarde biedt across industrieën.

---

Referenties

• 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