ZK Bridges: 零知識證明如何賦能跨鏈世界？

作者：ScalingX

確保其跨鏈橋的安全性是一個重要挑戰，因為需要保護存儲在智能合約或中央托管方中的資產。然而，如果在跨鏈橋設計中引入zk-SNARKs技術，能有效地解決了與去中心化和安全性相關的問題。

在迅速發展的區塊鏈技術領域里，眾多協議已被提出并實施，然而每個協議都采用了不同的共識方法——從計算型的工作量證明（Proof-of-Work）到激勵型的權益證明（Proof-of-Stake），等等。由于協議在共識、安全性、編程語言等各個方面存在差異，自區塊鏈早期以來，流動性和資產逐漸在不同鏈之間分散。跨鏈橋成為解決這一問題的方案，它能夠減少碎片化，整合各個區塊鏈之間的流動性。其中一種跨鏈橋協議就是 Wormhole，它便于加密貨幣和非同質化代幣（NFT）在不同智能合約區塊鏈（如 Solana 和以太坊）之間的流通。

跨鏈橋可說是相當棘手的。確保其跨鏈橋的安全性是一個重要挑戰，因為需要保護存儲在智能合約或中央托管方中的資產。由于橋梁的資金集中存儲，歷來都是黑客的目標。橋梁不斷演進的設計也為攻擊者尋找新的漏洞和漏洞利用提供了可能。在 2022 年，Wormhole 曾因安全修復上傳到 Github 后被黑客攻擊，造成 3.25 億美元損失，黑客得逞后帶走了這筆資金。Chainalysis 報告稱，跨鏈橋攻擊在2022年占據了總盜竊資金的 69%。

區塊鏈開發平臺Alchemy啟動對ZK Rollup StarkNet的支持:金色財經報道，區塊鏈開發平臺 Alchemy 啟動對 ZK Rollup StarkNet 的支持，Starknet 現已在 Alchemy 上公開發布，通過向公眾開放，Alchemy 正在為 Starknet 的開發者社區提供基礎設施和工具，構建者可以創建功能豐富、突破性的 dapp，starknet 用戶可以在本地使用智能合約賬戶，而無需將他們的錢包重新編程為智能合約。雖然新產品僅代表 Alchemy 支持的 39 個區塊鏈之一，但該公司表示，StarkNet集成是關鍵，因為它的“快速發展的開發者社區”和該項目的“零知識rollups的開創性方法”。[2023/5/5 14:43:29]

圖片來源 Chainalysis

圖片來源 DEFIYIELD

 另一個面臨的挑戰是性能不佳與對中心實體的依賴。目前的跨鏈橋面臨著可擴展性問題。為了更新和調整兩個鏈的狀態，跨鏈橋需要大量的計算能力和存儲容量，導致了重大的開銷。為了減輕這種負擔，一些跨鏈橋已經轉向了委員會式的方法，即僅由有限的一組驗證者（甚至只有多簽持有者）來批準狀態轉移。然而，這種方法使它們暴露于漏洞和潛在攻擊之中。

Polygon正在對zk rollups技術進行性能測試:1月14日消息，Polygon正在對零知識匯總 (zk rollups) 技術進行性能測試。這項名為Polygon zkEVM技術的開發已經由Polygon Hermez團隊進行了三年多。通過在zkEVM測試網的主要版本中生成超過12,000個zk證明，該團隊已經確認零知識證明在以太坊上是可行的。(Cointelegraph）[2023/1/14 11:12:10]

正是這些問題促使開發人員開始尋求替代解決方案，特別是利用零知識密碼學的解決方案。在這些方法中，利用 zk-SNARKs 技術消除了委員會模型的需求，同時確保網絡的可擴展性。

當前，有幾個項目正在跨不同生態系統和開發階段開發基于 ZK 技術橋解決方案，如：

Succinct Labs

zkIBC by Electron Labs

zkBridge by Polyhedra Network

這些倡議充分利用 zk-SNARKS 技術來革新跨鏈橋的設計。然而，為了成功實施所有這些方法，一個關鍵的要求是輕客戶端協議 - 這是一種連接到全節點并促進與區塊鏈交互的軟件。該協議確保節點可以高效地同步已確認區塊鏈狀態的區塊頭。

StarkWare推出ZK Rollup擴容方案StarkNet Alpha 1版本:StarkWare推出ZK Rollup擴容方案StarkNet Alpha 1版本，該版本更新包括實現了L1、L2交互功能、實現了L1鏈上數據可用性，可通過L1數據構建StarkNet的狀態等，此外，StarkNet還發布了StarkNet操作系統的代碼，包括合約部署、交易執行等細節。[2021/7/20 1:03:37]

在將 zk-SNARKs 技術應用于跨鏈橋時，會出現兩個主要挑戰。首先，與 rollups 相比，跨鏈橋需要更大的電路規模。其次，需要解決最小化鏈上存儲和計算開銷的問題。

Succinct Labs 正在開發適用于以太坊 2.0 的 PoS（權益證明）共識的輕客戶端，為 Gnosis 和以太坊之間建立一個信任最小化的跨鏈橋。這個跨鏈橋利用 zk-SNARKS 的高效性，在鏈上以簡潔的方式驗證共識有效性證明。

該設置涉及一個包含 512 個驗證者的同步委員會，這些驗證者每隔 27 個小時隨機選出。這些驗證者負責在其分配的時間段內對每個區塊頭進行簽名。如果超過 ? 的驗證者對每個區塊頭進行簽名，以太坊的狀態被認為是有效的。驗證過程主要包括驗證以下內容：

路印協議 Steve Guo：短期Optimistic 或勝出，中長期ZK Rollup將勝出:3月11日，在以《Layer2百花齊放， DeFi 們如何“站隊”？》為主題的AMA中，路印協議CTO Steve Guo、Synthetix大中華區負責人Dorothy、Huobi Global商業戰略總監哲叔、Starks Network聯合創始人張曉關于即將到來的Layer2展開了精彩的對話。

Steve Guo表示，路印協議的設計考量最重視安全性。zkRollup相比于Optimistic Rollup來說，最大的好處就是在于能保證用戶資產結算的最終確定性時間比較短，能做到分鐘級別，而Optimistic Rollup則需要1周以上的時間。

Steve Guo認為“在短期內，對于通用EVM計算而言，Optimistic Rollup可能會勝出，隨著ZK-SNARK技術的改進，在中長期而言，ZK Rollup將在所有用例中勝出。”在接下來2年左右的時間，會多個Layer2共存。一些嚴重受限于Layer1資源的一些應用場景會在Layer2上得到更大的爆發，比如DEX，去中心化的永續合約，去中心化的期權等項目。[2021/3/11 18:36:52]

區塊頭的 Merkle 證明

StarkWare推出ZK Rollup擴容解決方案StarkNet:1月27日消息，零知識證明研發機構StarkWare表示，其二層擴容解決方案ZK Rollup“StarkNet”目前已經完成基礎構建（階段0），即圖靈完備框架Cairo、STARK 軟件堆棧和二層擴容引擎StarkEx，之后將進行構建階段一至階段三，其中，階段一將支持單一應用Rollup“Single-App Rollup”，將使開發人員能夠在StarkNet上構建和部署自己的可擴展性應用程序；階段二將支持多應用Rollup“Multi-App Rollup”，支持在同一StarkNet實例上運行并訪問多個應用程序，這將實現不同應用程序之間的互操作性，以及降低 Gas 成本；階段三將支持去中心化Rollup“Decentralized Rollup”。

StarkWare預計將在近幾個月內部署階段一，并在2021年底之前順利進入階段二和階段三。StarkWare構建的StarkNet是一種由STARK驅動的去中心化二層ZK Rollup，可支持以太坊的通用計算。[2021/1/27 13:37:48]

同步委員會中驗證者的 Merkle 證明

BLS 簽名以確保同步委員會的正確輪換

這個過程產生了顯著的計算成本，因為其基本概念是輕客戶端利用 zk-SNARK（Groth16）來創建一個常量大小的證明（有效性證明），可以在 Gnosis 鏈上高效地進行驗證。證明是通過鏈下計算生成的，其中包括構建用于驗證驗證者及其簽名的電路，然后生成 zk-SNARK 證明。隨后，證明和區塊頭被提交到 Gnosis 鏈上的智能合約進行驗證。

采用 zk-SNARKs 有助于減少存儲開銷和電路復雜性，從而降低信任假設。盡管如此，這種方法專門針對以太坊 2.0 共識協議和 EVM 進行了優化，可能需要更大的適應性才能適用于其他區塊鏈網絡。

就在今年 7 月，Succinct Labs 做出了重大的宣布，確認其以太坊 ZK 輕客戶端已正式整合到主網上，以增強 Gnosis Omnibridge 的安全性。這一整合將使 Succinct Labs負責保護 Gnosis Omnibridge，目前該跨鏈橋的總鎖定價值（TVL）超過了4000萬美元，并且迄今為止已促成了超過 15 億美元的穩定幣資產流動。 

Electron Labs 正在構建一座起源于 Cosmos SDK 生態系統的跨鏈橋，該生態系統是一個面向應用特定區塊鏈的框架。其跨鏈橋將利用 IBC（跨鏈通信）技術，實現在框架內定義的所有獨立區塊鏈之間的無縫通信。

但是，將 Cosmos SDK 的輕客戶端實現到以太坊中充滿了困難。Cosmos SDK 使用的 Tendermint 輕客戶端在扭曲 Edwards 曲線（Ed25519）上運行，而這是以太坊區塊鏈不原生支持的曲線。因此，在以太坊的 BN254 曲線上驗證 Ed25519 簽名是昂貴且低效的。為了克服這個障礙，Electron Labs 正在基于 zk-SNARKs 技術開發一個解決方案。這個系統將生成一個鏈下的簽名有效性證明，并且只在以太坊鏈上對證明進行驗證，從而有效地解決了這個問題。

通過采用這種方法，可以高效且具有成本效益地在以太坊區塊鏈上驗證 Cosmos SDK 中的Ed25519 簽名，同時避免引入任何額外的信任假設。不過，這種方法可能面臨的一個潛在問題是延遲。Cosmos SDK 中的區塊生成速率為7秒，為了跟上這個速率，證明的時間必須大大縮短。Electron Labs 打算通過使用多臺計算機同時生成證明，然后將它們合并為單個 zk-SNARK 證明來解決這個問題。

與其他兩種行業領導的基于零知識證明的跨鏈橋構造相比，zkBridge 憑借其靈活多樣的框架脫穎而出，有助于在其平臺上開發多個應用。它有效地利用 zk-SNARKs 建立高效的通信過程，使得證明者能夠令接收鏈相信特定狀態轉換發生在發送鏈上。zkBridge 框架由兩個關鍵組件組成：

區塊頭中繼網絡：這個組件從發送鏈獲取區塊頭，生成用于驗證區塊頭的證明，然后將區塊頭和證明都傳輸到接收鏈上的更新合約。

更新合約：這個部分維護一個輕客戶端狀態，并在關聯證明被驗證后自動納入發送鏈的區塊頭。此外，它也保持發送鏈當前的主鏈狀態更新。

圖片來源 Polyhedra Network

zkBridge 與其他行業領導的方法主要的區別在于，zkBridge 只需要中繼網絡中存在一個誠實的節點，并假設 zk-SNARK 的可靠性。

這種構建中的一個關鍵進展在于 zk-SNARK 的并行使用：Virgo證明器（deVirgo），它引入了一種新穎的分布式證明系統來加速證明生成過程，并使用遞歸證明來降低鏈上證明驗證的成本。deVirgo 依賴于 GKR 協議和多項式承諾方案來為驗證多個簽名的電路生成證明。隨后，deVirgo 證明通過 Groth16 證明器進行壓縮，并由目標區塊鏈上的更新合約進行驗證。這些證明系統的結合使 zkBridge 能夠實現高效的跨鏈通信，而無需依賴外部信任假設。

zkBridge 的主網 Alpha 版本于 2023 年 4月發布，現在正在促進幾個 L1 和 L2 區塊鏈網絡之間的跨鏈互操作性，如 BNB Chain、以太坊和Arbitrum。在 2023 年 ETHCC 巴黎 zkDAY 活動上，Polyhedra Network 的首席技術官，Tiancheng Xie，強調自其主網發布以來，該協議已吸引了超過 50,000 名每日活躍用戶和 800,000 名每月活躍用戶。

憑借其模塊化架構，zkBridge 為開發者和用戶打開了廣闊的可能性。這些可能性包括代幣橋接和交換、消息傳遞以及根據不同區塊鏈網絡之間的狀態變化進行適應的計算邏輯。

將 zk-SNARKs 技術納入跨鏈橋設計能有效地解決了與去中心化和安全性相關的問題。然而，由于涉及較大的電路規模，這也造成了計算瓶頸。隨著對互操作性的關注持續增加，相信將會有更多的開發者會努力投入到開發安全可擴展的跨鏈橋技術中。這些進展預計將對 ZK技術的整體進步和應用產生積極的影響。因此，我們可以預期在不久的將來，研究、創新實現的顯著進展以及跨鏈應用的更廣泛采用。

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