Analiza architektury Boundless: skalowalność poprzez zkVM i separację obliczeń

1. Wprowadzenie

Sieć Ethereum utrzymuje wysoki poziom bezpieczeństwa i decentralizacji dzięki strukturze, w której wszystkie węzły wielokrotnie wykonują identyczne obliczenia. W rezultacie, wraz ze wzrostem liczby węzłów, proces konsensusu staje się bardziej skomplikowany, narastają obciążenia związane z synchronizacją między węzłami, a przepustowość sieci jest ograniczona prędkością najwolniejszego węzła, co prowadzi do zmniejszenia ogólnej efektywności sieci.

Aby zaradzić tym ograniczeniom, branża blockchain podjęła różne próby przezwyciężenia wyzwań związanych ze skalowalnością. Godne uwagi przykłady obejmują rozwiązania skalujące Ethereum, takie jak Rollupy i Sharding, których celem jest zwiększenie skalowalności przy zachowaniu fundamentalnej architektury Ethereum.

Jednak nie wszystkie projekty podążały tą samą ścieżką. Niektóre blockchainy, reprezentowane przez Solanę i Sui, przyjęły architektury monolityczne, które priorytetowo traktują wysoką skalowalność nawet kosztem pewnego poziomu bezpieczeństwa i decentralizacji, umacniając swoją pozycję w branży poprzez kładzenie nacisku na szybką obsługę transakcji i lepsze doświadczenie użytkownika.

Ostatecznie ekosystem blockchain rozwinął się wzdłuż dwóch równoległych trajektorii: 1) ścieżki dążącej do stopniowej ekspansji przy zachowaniu bezpieczeństwa i decentralizacji oraz 2) ścieżki priorytetowo traktującej natychmiastową skalowalność. Pierwsza z nich napotyka jednak ograniczenia w prędkości ekspansji, podczas gdy druga wymaga kompromisów w zakresie decentralizacji i bezpieczeństwa.

!바운드리스.002.jpeg

1.1 Powstanie zkVM

W tym kontekście zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) zyskuje uwagę jako nowa alternatywa.

zkVM to technologia, która wykonuje operacje inteligentnych kontraktów w maszynie wirtualnej zdolnej do generowania dowodów z wiedzą zerową (ZK-Proofs) i gwarantuje poprawność wyników za pomocą zwartych dowodów. Pozwala to na obsługę złożonych obliczeń i przetwarzanie danych na dużą skalę poza łańcuchem (off-chain), podczas gdy weryfikacja wyników odbywa się w łańcuchu (on-chain), co zmniejsza obciążenie łańcucha i zapewnia skalowalność.

W istocie zkVM syntetyzuje zalety i wady opisanych powyżej rozwiązań skalujących, zapewniając skalowalność na poziomie łańcucha monolitycznego przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa i decentralizacji. Dzięki tej technologii branża blockchain zyskała nową ścieżkę rozwoju, która może jednocześnie zapewnić bezpieczeństwo i skalowalność.

Zalety, które blockchainy mogą uzyskać dzięki wdrożeniu technologii zkVM, obejmują:

• Przewidywalne koszty weryfikacji: Koszty weryfikacji pozostają stałe niezależnie od złożoności obliczeń, co zapewnia stabilną i przewidywalną strukturę kosztów nawet przy obsłudze aplikacji o znacznie zwiększonej złożoności
• Harmonia decentralizacji i efektywności: Podczas zachowania wrodzonych zalet blockchaina, takich jak decentralizacja i integralność, rzeczywiste obliczenia są przetwarzane poza łańcuchem, co zwiększa ogólną efektywność sieci
• Wysokie bezpieczeństwo i niezawodność: Użytkownicy mogą otrzymać dowód, że wyniki zostały obliczone poprawnie bez bezpośredniej weryfikacji wyników obliczeń, co wzmacnia niezawodność sieci i umożliwia bezpieczne przetwarzanie złożonych obliczeń
• Rozszerzone możliwości zastosowań: Ponieważ duże obliczenia, które były trudne do przetworzenia w łańcuchu, stają się wykonalne, blockchain może rozszerzyć się na różne obszary zastosowań, takie jak sztuczna inteligencja, symulacje finansowe i analiza danych na dużą skalę

Tym samym zkVM wykracza poza prostą poprawę wydajności blockchaina; poprzez separację obliczeń i weryfikacji rozwiązuje problemy ze skalowalnością, z jakimi boryka się blockchain, zachowując zalety sieci zdecentralizowanych, co tworzy fundament do bardziej aktywnego wykorzystania blockchaina w różnych dziedzinach, takich jak AI, finanse i analiza danych. Ponieważ jednak technologia zkVM została opracowana i dyskutowana dopiero niedawno, nie osiągnęła jeszcze etapu powszechnego wdrożenia w całej branży.

W tym momencie Boundless ma na celu stać się liderem w dziedzinie zkVM, dostarczając środowisko, które można natychmiast zastosować w zastosowaniach przemysłowych, wykraczając poza samą implementację zkVM.

2. Boundless: Przełamywanie limitów skalowalności

Boundless to warstwa obliczeniowa weryfikowana za pomocą dowodów z wiedzą zerową, opracowana przez zespół RISC Zero, zaprojektowana jako protokół rynku dowodów z wiedzą zerową, który efektywnie przetwarza złożone obliczenia i umożliwia bezpieczną weryfikację. Gdy blockchainy lub aplikacje wymagają obliczeń o wysokiej wydajności, mogą zlecić je sieci Boundless, a każda osoba może stać się uczestnikiem, wykonując obliczenia i przesyłając dowody w celu uzyskania nagród.

Głównym mechanizmem Boundless jest separacja obliczeń i weryfikacji. Zamiast wszystkie węzły w sieci wielokrotnie wykonywały identyczne obliczenia, określone węzły przetwarzają złożone obliczenia poza łańcuchem i weryfikują wykonanie za pomocą dowodów z wiedzą zerową. Pozwala to sieci zabezpieczyć wiarygodność wyników bez konieczności pełnego ponownego przeliczania, stając się kluczowym mechanizmem rozwiązania problemów ze skalowalnością blockchaina.

2.1. zkVM w Boundless

Boundless został zbudowany na bazie zkVM opracowanego wewnętrznie przez RISC Zero. zkVM RISC Zero posiada strukturę pozwalającą na wykonywanie dowolnych programów przy użyciu ogólnych instrukcji RISC-V i generowanie kryptograficznych pokwitowań (receipts) dowodzących, że wykonanie odbyło się poprawnie.

Ponieważ zkVM automatycznie obsługuje skomplikowane generowanie dowodów z wiedzą zerową, programiści korzystający z niego mogą pisać programy kompatybilne z zkVM i tworzyć weryfikowalne programy w znajomych językach, takich jak Rust i C++, bez odrębnej wiedzy kryptograficznej.

Ponadto zkVM RISC Zero to wysokiej wydajności system dowodowy oparty na STARK, który może mierzyć obciążenie obliczeniowe w jednostkach cykli procesora RISC-V, co czyni go odpowiednim do wdrożenia mechanizmu motywacyjnego Boundless, PoVW (Proof of Verifiable Work).

Co więcej, chociaż Boundless obecnie wykorzystuje zkVM RISC Zero jako domyślne środowisko wykonawcze, dąży do uniwersalnego designu, który nie jest zależny od konkretnych systemów dowodowych. W rzeczywistości mapa drogowa Boundless obejmuje plany wsparcia innych backendów zkVM, takich jak SP1 od Succinct, Boojum od zkSync i Jolt, co pozwoli programistom na wykorzystywanie Boundless podczas tworzenia aplikacji w znajomy im sposób, bez blokowania w konkretnych narzędziach lub środowiskach deweloperskich.

Mówiąc inaczej, Boundless przyjął rozwiązanie zkVM od RISC Zero ze względu na te zalety. Można to postrzegać jako stworzenie fundamentu, który maksymalnie wykorzystuje wszechstronność, wydajność i wygodę rozwoju, jednocześnie pozostawiając możliwość ewolucji w elastyczną platformę obejmującą różnorodne narzędzia i środowiska deweloperskie w długim okresie.

Przejdźmy teraz do szczegółowego zbadania architektury i mechanizmu działania Boundless.

2.2. Architektura protokołu Boundless

Boundless składa się z dwóch głównych uczestników, Aplikacji (App) oraz Dowodzącego (Prover), a także z kontraktów i strumieni łączących tych uczestników.

• Aplikacja (App): Aplikacja żądająca weryfikacji konkretnych obliczeń przy użyciu systemu Boundless.
• Dowodzący (Prover): Podmiot faktycznie wykonujący obliczenia żądane przez aplikacje poza łańcuchem (off-chain) i generujący dowody kryptograficzne wykazujące, że obliczenia zostały przeprowadzone poprawnie.
• Kontrakt Weryfikatora (Verifier Contract): Smart kontrakt weryfikujący kryptograficzną poprawność dowodów wygenerowanych przez dowodzących w łańcuchu (on-chain), technicznie oceniający jedynie wartość logiczną (True/False) dowodów.
• Kontrakt Rynku (Market Contract): Główny kontrakt pełniący rolę koordynatora ekosystemu Boundless, wykonujący zadania pośrednictwa dowodów, żądań weryfikacji oraz przetwarzania płatności.
• Kontrakt Aplikacji (App Contract): Kontrakt należący do aplikacji, który odbiera sygnały zakończenia weryfikacji (oraz wyniki) z kontraktu rynku i wykonuje kolejną logikę aplikacji lub zapisuje końcowy stan w łańcuchu przy użyciu zweryfikowanych danych.
• Strumień Zamówień poza Łańcuchem (Off-chain Order Stream): Komponent komunikacyjny rozgłaszający główne dane poza łańcuchem (żądania/odpowiedzi), takie jak żądania dowodów aplikacji i oferty licytacji dowodzących.

Kontrakt weryfikatora i kontrakt rynku Boundless są wdrażane i obsługiwane w sieciach dedykowanych rozliczeniom (Settlement Chains), takich jak Ethereum i Base. Ponadto, kontrakty aplikacji wdrażane przez deweloperów również działają w oparciu o te sieci dedykowane rozliczeniom, odbierając zweryfikowane dowody i wykonując logikę biznesową.

W przeciwieństwie do tego, dowodzący wykonują programy zkVM i generują dowody przy użyciu własnego sprzętu poza łańcuchem, poza warstwą rozliczeniową, a po zweryfikowaniu poprawności wygenerowanych dowodów otrzymują nagrody zgodnie z mechanizmem PoVW.

Ponadto, chociaż aplikacje mogą przesyłać żądania obliczeń bezpośrednio do kontraktu rynku za pośrednictwem transakcji on-chain, w przypadkach gdy odporność na cenzurę jest mniej krytyczna, mogą wymieniać żądania dowodów off-chain poprzez strumienie zamówień.

W ten sposób Boundless posiada strukturę, która maksymalizuje wydajność dzięki hybrydowemu projektowi, w którym procesy weryfikacji i płatności wymagające zaufania i bezpieczeństwa są obsługiwane on-chain, podczas gdy intensywna obliczeniowo generacja dowodów odbywa się off-chain.

2.2.1. Szczegółowy proces operacyjny

Proces operacyjny Boundless przebiega w sześciu etapach, od żądania dowodu przez aplikację do końcowego wykorzystania wyniku.

1. Zgłoszenie żądania dowodu: Żądania dowodów aplikacji mogą być przesyłane on-chain (bezpośrednia transakcja do kontraktu rynku) lub off-chain (rozgłoszenie przez strumień zamówień). Żądania obejmują informacje o programie do wykonania, dane wejściowe oraz warunki aukcji dowodzących.
2. Licytacja i blokada przez Dowodzącego: Gdy żądanie jest rozgłaszane, rozpoczyna się odwrotna aukcja holenderska. Cena startuje od minimum i rośnie do maksimum w czasie, a dowodzący mogą złożyć ofertę w wybranym przez siebie momencie, deponując zabezpieczenie i blokując żądanie.
3. Generowanie dowodu: Dowodzący, który wykonał blokadę, uruchamia program zkVM na swoim sprzęcie off-chain i generuje dowód. Dla wydajności wiele żądań jest grupowanych w paczki w celu wygenerowania zagregowanego dowodu o strukturze drzewa Merkle'a.
4. Przesłanie i weryfikacja dowodu: Dowodzący przesyła zagregowany dowód do kontraktu rynku, który przekazuje go do kontraktu weryfikatora w celu weryfikacji. Gdy weryfikacja zakończy się sukcesem, dowodzący otrzymuje nagrodę, a zabezpieczenie jest zwracane.
5. Odbiór i ponowna weryfikacja dowodu: Aplikacja wykrywa zdarzenie zakończenia, pobiera dowód dołączenia do drzewa Merkle'a i przesyła go do kontraktu aplikacji. Kontrakt aplikacji niezależnie ponownie weryfikuje dowód za pośrednictwem kontraktu weryfikatora w celu potwierdzenia dokładności wyniku.
6. Wykorzystanie wyniku: Gdy weryfikacja zakończy się sukcesem, kontrakt aplikacji wykonuje logikę biznesową opartą na udowodnionych wynikach. Wyniki złożonych obliczeń wykonanych off-chain mogą być bezpiecznie wykorzystane on-chain bez ponownego obliczania przez wszystkie węzły.

Dzięki tej metodzie Boundless posiada strukturę realizującą niezawodne wykonywanie obliczeń, przejrzystą weryfikację i zautomatyzowane rozliczenia nawet w środowisku zdecentralizowanym.

3. Obecny status i kluczowe przypadki współpracy

15 września 2024 roku Boundless oficjalnie wystartował w oparciu o łańcuch Base i przeprowadził airdrop tokenów $ZKC dla uczestników incentivized testnetu biorących udział od lipca. Następnie Boundless uruchomił funkcję stakowania, zapewniając dodatkową użyteczność posiadaczom tokenów$ZKC.

Od momentu uruchomienia do dnia napisania raportu, czyli 27 października, łączna liczba żądań dowodów wykonanych za pośrednictwem Boundless wynosi 1,4 mln, co pokazuje około dwukrotnie wyższą wydajność w porównaniu z protokołem Succinct, konkurencyjnym rozwiązaniem, które wystartowało wcześniej niż Boundless.

Zespół Boundless aktywnie realizuje współpracę z innymi protokołami, aby przyciągnąć więcej użytkowników i rozszerzyć ekosystem, a kluczowe trwające przypadki współpracy przedstawiają się następująco:

3.1. EigenLayer: Ulepszona weryfikacja slashingu AVS

Protokoł restakingu EigenLayer planuje wydajnie obsługiwać logikę weryfikacji slashingu dla operatorów AVS (Actively Validated Services) przy użyciu Boundless.

Oparta na zkVM sieć dowodzących Boundless okresowo zbiera i oblicza informacje o saldach stakowania z różnych źródeł, w tym z Ethereum, podsumowując wyniki jako korzenie drzew Merkle'a. Kontrakty weryfikujące on-chain potwierdzają przesłane dowody, aby zrozumieć status staku każdego walidatora i wykonać slashing przy niskim koszcie po wykryciu naruszenia zasad.

W tym procesie wszystkie złożone obliczenia są wykonywane off-chain, a do łańcucha przesyłane są wyłącznie proste dowody z wiedzą zerową. Obliczenia, które kosztowałyby dziesiątki milionów jednostek gazu, gdyby zostały wykonane bezpośrednio w Solidity, są zastępowane pojedynczą weryfikacją dowodu, co ma szansę zredukować koszty gazu aż o 99,9%. Boundless obecnie prowadzi integrację z EigenLayer.

3.2. Celestia: Dowód dostępności danych (DA)

Celestia, modułowa warstwa dostępności danych, współpracowała z RISC Zero nad rozwojem Blobstream Zero, opartego na zkVM protokołem komunikacji międzyłańcuchowej.

W ramach Blobstream Zero, dowodzący Boundless udowadniają poza łańcuchem, że wszystkie dane transakcyjne w blokach Celestii są faktycznie przechowywane i utrzymywane w sieci, przesyłając to jako skompresowane dowody z wiedzą zerową do innych łańcuchów. W rezultacie kontrakty na innych łańcuchach mogą ufać dostępności danych Celestii poprzez proste zweryfikowanie tego małego dowodu.

W szczególności, ponieważ Boundless zkVM może konsolidować wiele zadań weryfikacji DA w jeden dowód, rollupy lub aplikacje wykorzystujące Celestię jako warstwę DA mogą przeprowadzać niskokosztową, wysokowiarygodną weryfikację dostępności danych bez konieczności bezpośredniego przechowywania całych danych lub skomplikowanych procedur próbkowania.

Blobstream Zero jest obecnie rozwijany w formie i jest stosowane w środowisku głównej sieci.

4. Otoczenie konkurencyjne i czynniki różnicujące

Obecnie do pola zkVM należy kilku konkurentów, takich jak SP1 od Succinct, Miden od Polygon i zkEVM od Scroll, przy czym każdy projekt kładzie inny nacisk strategiczny dla sukcesu swoich odpowiednich maszyn wirtualnych.

!바운드리스.004.jpeg

Boundless posiada trzy kluczowe cechy wyróżniające w porównaniu do innych konkurencyjnych projektów:

• Niezależny od VM (Wszechstronność) : Zapewnia podstawę techniczną pozwalającą na przeprowadzanie obliczeń i generowanie dowodów niezależnie od maszyny wirtualnej (EVM, RISC-V itd.) lub środowiska blockchain.
• Skalowalność ekosystemu : Buduje ekosystem ekonomiczny, w którym każdy może wziąć udział jako dowodzący, przeprowadzać obliczenia i otrzymywać nagrody.
• Otwarty rynek : Zaprojektowany tak, aby sieć była utrzymywana i rosła dzięki dobrowolnej motywacji uczestników rynku, a nie subsydiom od podmiotów centralnych, poprzez zdecentralizowaną strukturę rynku dowodów.

Szczególnie zachęcające jest to, że Boundless zbudował strukturę sprzyjającą rozwojowi, stosując model zachęt ekonomicznych, który jest główną siłą napędową branży blockchain, w rynku generowania dowodów, gdzie uczestnicy zyskują nagrody za dostarczanie zasobów obliczeniowych, a sieć osiąga zrównoważoną skalowalność i decentralizację.

Dzięki temu można postrzegać Boundless jako realizujący strategię "stworzenia sieci ekonomicznej, w której każdy może dostarczać i konsumować dowody z wiedzą zerową", wykraczającą poza techniczną konkurencję "jak szybki jest mój zkVM". Podejście to pozycjonuje Boundless jako 'ZK Proof-as-a-Service' — wszechstronną i skalowalną infrastrukturę nie ograniczoną do konkretnych przypadków użycia.

5. Podsumowanie

Boundless przedstawia fundamentalne rozwiązanie problemów skalowalności blockchain. Wykorzystując technologię zkVM od RISC Zero do przetwarzania złożonych obliczeń poza łańcuchem i efektywnej weryfikacji tylko dokładności wyników w łańcuchu, pokonuje strukturalne ograniczenia istniejących sieci blockchain, takich jak Ethereum.

Największym wyróżnikiem Boundless jest to, że zbudował proces generowania dowodów z wiedzą zerową w zdecentralizowany rynek dowodów, wykraczając poza prostą poprawę wydajności technicznej. Ten system, w którym każdy może wziąć udział jako dowodzący, dostarczyć zasoby obliczeniowe i otrzymać wynagrodzenie, ustala zrównoważone podstawy, w których sieć może autonomicznie rosnąć i być utrzymywana bez subsydiów od podmiotów centralnych.

Jednakże, mimo że Boundless ma wizję ekspansji na różne dziedziny przemysłu, takie jak sztuczna inteligencja, symulacje finansowe i analiza danych na dużą skalę, popyt i potwierdzone przypadki współpracy skupiają się obecnie w branży blockchain. W związku z tym należy ściśle monitorować wydajność operacyjną w głównej sieci oraz dowody niezawodności technicznej w kwestii tego, czy Boundless faktycznie będzie w stanie wyjść poza blockchain do sektorów tradycyjnego przemysłu.

Jeśli Boundless pomyślnie sprosta tym wyzwaniom i zostanie wdrożony w różnych dziedzinach przemysłu poza blockchain, oczekuje się, że stanie się ważnym przypadkiem demonstrującym potencjał technologii zkVM do ustanowienia się jako infrastruktura obliczeniowa ogólnego przeznaczenia, jednocześnie pokazując, że weryfikowalne obliczenia zapewniają praktyczną wartość w różnych branżach.

---

Bibliografia

• 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