Boundless: zkVM-шар для масштабування та верифікації

1. Вступ

Мережа Ethereum забезпечує високий рівень безпеки та децентралізації завдяки структурі, в якій всі вузли повторно виконують ідентичні обчислення. Наслідком цього є те, що зі збільшенням кількості вузлів процес консенсусу стає складнішим, зростають накладні витрати на синхронізацію між вузлами, а пропускна здатність мережі обмежується швидкістю найповільнішого вузла, що призводить до зниження загальної ефективності мережі.

Для подолання цих обмежень блокчейн-індустрія застосовує різні підходи до розв'язання проблем масштабованості. Помітними прикладами є рішення для масштабування Ethereum, такі як Rollups та Sharding, які мають на меті підвищення масштабованості при збереженні архітектурних основ Ethereum.

Проте не всі проекти пішли цим шляхом. Деякі блокчейни, зокрема Solana та Sui, обрали монолітні архітектури, які пріоритизують високу масштабованість навіть ціною певної втрати безпеки та децентралізації, закріплюючи свої позиції в індустрії за рахунок швидкої обробки транзакцій та покращеного користувацького досвіду.

Зрештою, блокчейн-екосистема розвивалася двома паралельними траєкторіями: 1) шлях поступового розширення при збереженні безпеки та децентралізації, та 2) шлях пріоритету негайної масштабованості. Проте перший стикається з обмеженнями щодо швидкості розширення, а другий вимагає компромісів у децентралізації та безпеці.

!바운드리스.002.jpeg

1.1 Виникнення zkVM

У цьому контексті zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) привертає увагу як нова альтернатива.

zkVM — це технологія, яка виконує операції смарт-контрактів у віртуальній машині, здатній генерувати докази з нульовим розголошенням (ZK-Proofs), і гарантує точність результатів за допомогою компактних доказів. Це дозволяє обробляти складні обчислення та великі масиви даних поза ланцюжком, тоді як перевірка результатів виконується в ланцюжку, що знижує навантаження на мережу та забезпечує масштабованість.

По суті, zkVM синтезує переваги та недоліки описаних вище рішень для масштабування, забезпечуючи масштабованість на рівні монолітного ланцюжка при збереженні безпеки та децентралізації. Завдяки цій технології блокчейн-індустрія отримала новий шлях розвитку, який дозволяє одночасно забезпечити як безпеку, так і масштабованість.

Переваги, які блокчейни можуть отримати, впровадивши технологію zkVM, включають:

• Прогнозованість витрат на верифікацію: Витрати на верифікацію залишаються незмінними незалежно від складності обчислень, що забезпечує стабільну та передбачувану структуру витрат навіть при роботі з додатками зі значно підвищеною складністю
• Гармонія децентралізації та ефективності: При збереженні притаманних блокчейну сильних сторін — децентралізації та цілісності — фактичні обчислення обробляються поза ланцюжком, що підвищує загальну ефективність мережі
• Високий рівень безпеки та надійності: Користувачі можуть отримати доказ того, що результати були обчислені точно, без прямої перевірки результатів обчислень, що посилює надійність мережі та дозволяє безпечно обробляти складні розрахунки
• Розширення можливостей застосування: Оскільки великомасштабні обчислення, які було важко обробляти в ланцюжку, стають можливими, блокчейн може розширитися на різні сфери застосування, такі як штучний інтелект, фінансове моделювання та великомасштабний аналіз даних

Таким чином, zkVM виходить за рамки простого підвищення продуктивності блокчейну; через розділення обчислень та верифікації вона вирішує проблеми масштабованості, що стоять перед блокчейном, зберігаючи переваги децентралізованих мереж, що створює основу для більш активного використання блокчейну в різноманітних сферах, таких як ШІ, фінанси та аналіз даних. Проте, оскільки zkVM була розроблена та обговорюється лише нещодавно, технологія ще не досягла етапу масового впровадження в індустрії.

На цьому етапі Boundless має на меті стати лідером у сфері zkVM, надаючи середовище, яке можна негайно застосувати в промислових умовах, виходячи за рамки простого впровадження zkVM.

2. Boundless: Подолання обмежень масштабованості

Boundless — це рівень обчислень з верифікацією з нульовим розголошенням, розроблений командою RISC Zero, спроектований як протокол ринку доказів з нульовим розголошенням для ефективної обробки складних обчислень та забезпечення безпечної верифікації. Коли блокчейни або додатки потребують високопродуктивних обчислень, вони можуть надіслати запит до мережі Boundless, і будь-хто може стати учасником, виконуючи обчислення та подаючи докази для отримання винагороди.

Основний механізм Boundless полягає в розділенні обчислень та верифікації. Замість того, щоб всі вузли в ланцюжку повторно виконували однакові обчислення, певні вузли обробляють складні обчислення поза ланцюжком і верифікують виконання за допомогою доказів з нульовим розголошенням. Це дозволяє мережі забезпечувати надійність результатів без потреби у повному перерахунку, стаючи ключовим механізмом для вирішення проблем масштабованості блокчейну.

2.1. zkVM від Boundless

Boundless побудований на основі zkVM, розробленого власними силами команди RISC Zero. zkVM від RISC Zero має структуру, здатну виконувати довільні програми з використанням інструкцій загального призначення RISC-V та генерувати криптографічні чеки, що підтверджують правильність виконання.

Оскільки zkVM автоматично обробляє складне генерування доказів з нульовим розголошенням, розробники, які використовують його, можуть писати сумісні з zkVM програми та розробляти верифіковані програми на знайомих мовах, таких як Rust і C++, без окремих криптографічних знань.

Крім того, zkVM від RISC Zero є високопродуктивною системою доказів на основі STARK, яка може вимірювати обчислювальне навантаження в одиницях циклів процесора RISC-V, що робить її придатною для впровадження механізму стимулів Boundless, PoVW (Proof of Verifiable Work).

Більше того, хоча наразі Boundless використовує zkVM від RISC Zero як середовище виконання за замовчуванням, вона прагне до універсального дизайну, який не залежить від конкретних систем доказів. Зокрема, дорожня карта Boundless включає плани щодо підтримки інших бекендів zkVM, таких як SP1 від Succinct, Boojum від zkSync та Jolt, що дозволить розробникам використовувати Boundless під час створення додатків у звичний для них спосіб без прив'язки до конкретних інструментів або середовищ розробки.

Іншими словами, Boundless обрав zkVM від RISC Zero, базуючись на цих перевагах, і це можна розглядати як закладення фундаменту, який максимальною мірою використовує універсальність, продуктивність та зручність розробки, маючи можливість еволюціонувати в гнучку платформу, що охоплює різноманітні інструменти та середовища розробки у довгостроковій перспективі.

Тепер розглянемо детально архітектуру та механізм роботи Boundless.

2.2. Архітектура протоколу Boundless

Boundless складається з двох основних учасників, App та Prover, і містить у собі контракти та потоки даних, що з'єднують цих учасників.

• App: Додаток, що запитує верифікацію специфічних обчислень (розрахунків) з використанням системи Boundless
• Prover: Суб'єкт, який фактично виконує обчислення, запитані додатками, офчейн (off-chain) та генерує криптографічні докази, що підтверджують коректність виконання обчислень
• Verifier Contract: Смарт-контракт, який верифікує криптографічну валідність доказів, згенерованих доказувальниками, ончейн; технічно оцінює лише істинне значення (True/False) доказів
• Market Contract: Основний контракт, що виступає координатором екосистеми Boundless, виконуючи функції посередництва доказами, запитами на верифікацію та обробкою платежів
• App Contract: Контракт, що належить додатку, отримує кінцеві сигнали завершення верифікації (та результати) від маркет-контракту та виконує наступну логіку додатку або зберігає кінцевий стан ончейн, використовуючи перевірені дані
• Off-chain Order Stream: Комунікаційний компонент, який транслює основні офчейн дані (запити/відповіді), такі як запити на докази від додатків та ставки на аукціоні від доказувальників

Верифіер-контракт та маркет-контракт Boundless розгорнуті та експлуатуються в мережах для врегулювання (Settlement Chains), таких як Ethereum та Base. Крім того, контракти додатків, розгорнуті розробниками, також працюють на базі цих мереж для врегулювання, отримуючи перевірені докази та виконуючи бізнес-логіку.

Натомість, доказувальники виконують програми zkVM та генерують докази, використовуючи своє обладнання офчейн, поза шаром врегулювання, і отримують винагороду згідно з механізмом PoVW (Proof of Valid Work), коли коректність згенерованих доказів підтверджується.

Крім того, хоча додатки можуть подавати запити на обчислення безпосередньо до маркет-контракту через ончейн-транзакції, у випадках, коли стійкість до цензури менш критична, вони можуть обмінюватися запитами на докази офчейн через потоки замовлень.

Таким чином, Boundless має структуру, яка максимізує ефективність завдяки гібридному дизайну, де процеси верифікації та платежів, що вимагають довіри та безпеки, обробляються ончейн, тоді як інтенсивне генерування доказів виконується офчейн.

2.2.1. Детальний процес роботи

Процес роботи Boundless проходить через шість етапів: від запитів на докази від додатків до використання кінцевих результатів.

1. Подача запиту на доказ : Запити на докази від додатків можуть подаватися ончейн (пряма транзакція до маркет-контракту) або офчейн (трансляція через потік замовлень). Запити включають інформацію про програму для виконання, вхідні дані та умови аукціону доказувальників
2. Ставки доказувачів та блокування : Коли запит транслюється, починається зворотний голландський аукціон. Ціна починається з мінімальної та зростає до максимальної з часом, і доказувальники можуть зробити ставку в бажаний момент часу, вносячи гарантійне внесок та блокуючи запит
3. Генерація доказу : Доказувач, який виконав блокування, запускає програму zkVM на своєму обладнанні офчейн та генерує доказ. Для ефективності кілька запитів об'єднуються в пакети (batch) для генерування агрегованого доказу зі структурою дерева Меркла
4. Подача доказу та верифікація : Доказувач подає агрегований доказ до маркет-контракту, який перенаправляє його до верифіер-контракту для перевірки. У разі успішної верифікації доказувач отримує винагороду, а гарантійний внесок повертається
5. Отримання доказу та повторна верифікація : Додаток виявляє подію завершення, отримує доказ включення в дерево Меркла та передає його до контракту додатку. Контракт додатку незалежно повторно верифікує доказ через верифіер-контракт для підтвердження точності результату
6. Використання результату : При успішній верифікації контракт додатку виконує бізнес-логіку на основі підтверджених результатів. Результати складних обчислень, виконаних офчейн, можуть безпечно використовуватися ончейн без необхідності повторного обчислення всіма вузлами

Через цей метод Boundless має структуру, яка реалізує надійне виконання обчислень, прозору верифікацію та автоматизовані розрахунки навіть у децентралізованому середовищі.

3. Поточний статус та основні випадки співпраці

15 вересня 2024 року Boundless офіційно запустився на базі мережі Base та провів аірдроп токенів $ZKC для учасників incentivized testnet, які брали участь з липня. Згодом Boundless відкрив функцію стейкінгу, забезпечуючи додаткову корисність для власників$ZKC.

З моменту запуску до дати написання звіту (27 жовтня) загальна кількість запитів на докази, виконаних через Boundless, склала 1,4 млн, що демонструє приблизно подвійну продуктивність у порівнянні з Succinct — конкуруючим протоколом, який запустився раніше за Boundless.

Команда Boundless активно налагоджує співпрацю з іншими протоколами для залучення більше користувачів та розширення екосистеми. Основні поточні випадки співпраці наведені нижче:

3.1. EigenLayer: Покращення верифікації слешингу AVS

Протокол рестейкінгу EigenLayer планує ефективно обробляти логіку верифікації слешингу для операторів AVS (Actively Validated Services), використовуючи Boundless.

Мережа доказувачів на базі zkVM від Boundless періодично збирає та розраховує інформацію про баланс стейкінгу з різних джерел, включаючи Ethereum, підсумовуючи результати як корені дерева Меркла. Ончейн контракти верифікації підтверджують подані докази, щоб зрозуміти статус стейку кожного валідатора, та виконують слешинг з низькою вартістю при виявленні порушень правил.

У цьому процесі всі складні обчислення виконуються офчейн, а ончейн подаються лише прості докази з нульовим розголошенням. Обчислення, які б коштували десятки мільйонів одиниць газу при прямому виконанні на Solidity, замінюються однією верифікацією доказу, що очікується знизити витрати на газ до 99,9%. Boundless наразі проводить інтеграцію з EigenLayer.

3.2. Celestia: Доказ доступності даних (DA)

Celestia, модульний рівень доступності даних, співпрацював з RISC Zero над розробкою Blobstream Zero — протоколу міжланцюгового обміну повідомленнями на базі zkVM.

У Blobstream Zero доказувачі Boundless доводять поза ланцюжком, що всі дані транзакцій у блоках Celestia фактично зберігаються та підтримуються в мережі, надсилаючи це як стиснені докази з нульовим розголошенням в інші ланцюжки. Внаслідок цього контракти в інших ланцюжках можуть довіряти доступності даних Celestia, просто перевіряючи цей невеликий доказ.

Зокрема, оскільки Boundless zkVM може консолідувати кілька завдань перевірки DA в один доказ, роллапи або програми, що використовують Celestia як свій шар доступу даних, можуть виконувати перевірку доступності даних з низькими витратами та високим рівнем довіри, не зберігаючи повні дані безпосередньо та не виконуючи складні процедури вибірки.

Blobstream Zero наразі розробляється у формі відкритого вихідного коду та застосовується в середовищі основної мережі.

4. Конкурентне середовище та фактори диференціації

Наразі сфера zkVM включає кілька конкурентів, таких як SP1 від Succinct, Miden від Polygon та zkEVM від Scroll, причому кожен проект робить різний стратегічний акцент на успіх своїх відповідних віртуальних машин.

!바운드리스.004.jpeg

Boundless має три основні відмінні риси порівняно з іншими конкуруючими проектами:

• Агностичність до VM (Універсальність): Забезпечує технічну основу для виконання обчислень та генерації доказів незалежно від віртуальної машини (EVM, RISC-V тощо) або середовища блокчейну.
• Масштабованість екосистеми: Створює економічну екосистему, де будь-хто може взяти участь як доказувач, виконувати обчислення та отримувати винагороди.
• Відкритий ринок: Розроблено так, що мережа підтримується та зростає завдяки добровільній мотивації учасників ринку, а не субсидіям від центральних суб’єктів, через структуру децентралізованого ринку доказів.

Зокрема, втішним є той факт, що Boundless створила структуру позитивного циклу, застосувавши модель економічних стимулів, яка є основною рушійною силою блокчейн-індустрії, до ринку генерації доказів, де учасники отримують винагороди за надання обчислювальних ресурсів, а мережа досягає стійкої масштабованості та децентралізації.

Через це можна вважати, що Boundless реалізує стратегію «створення економічної мережі, де будь-хто може постачати та споживати докази з нульовим розголошенням», виходячи за межі технічної конкуренції «наскільки швидкий мій zkVM». Цей підхід позиціонує Boundless як «ZK Proof-as-a-Service» — універсальну та масштабовану інфраструктуру, не обмежену конкретними варіантами використання.

5. Висновок

Boundless пропонує фундаментальне рішення проблем масштабованості блокчейну. Використовуючи технологію zkVM від RISC Zero для обробки складних обчислень поза ланцюжком та ефективної перевірки точності результатів у ланцюжку, він долає структурні обмеження існуючих блокчейн-мереж, таких як Ethereum.

Найбільшою відмінністю Boundless є те, що процес створення доказів з нульовим розголошенням інтегровано в децентралізований ринок доказів, що виходить за межі простого покращення технічних характеристик. Ця система, де будь-хто може взяти участь як доказувач, надати обчислювальні ресурси та отримати компенсацію, встановлює стійку основу, на якій мережа може автономно зростати та підтримуватися без субсидій від центральних суб’єктів.

Однак, хоча Boundless має візію розширення на різні галузі промисловості, такі як штучний інтелект, фінансове моделювання та аналіз великих даних, підтверджений на сьогодні попит та випадки співпраці зосереджені в блокчейн-індустрії. Тому необхідно уважно стежити за продуктивністю роботи основної мережі та доказом технічної надійності щодо того, чи зможе Boundless дійсно вийти за межі блокчейну в традиційні сектори промисловості.

Якщо Boundless успішно вирішить ці проблеми та буде прийнятий у різних галузях промисловості за межами блокчейну, очікується, що це стане важливим випадком, який демонструє потенціал технології zkVM закріпитися як інфраструктура загального призначення, показуючи, що verifiable computing надає практичну цінність у різних галузях.

---

Список літератури

• 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