Mikä on ZK Rollup? Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää

Kuvittele seuraavan sukupolven turvallinen internet, jossa henkilökohtaiset tietosi ovat suojattuja siitä hetkestä lähtien, kun kirjaudut sisään. Tässä uudessa internetissä tietosi pysyvät laitteessasi ja ovat täysin sinun hallinnassasi, jolloin varkauden tai petoksen riski ja pelko poistuvat. Uskomme, että tuleva internet-infrastruktuuri, jossa turvallisuus ja yksityisyys ovat etusijalla, saattaa tulla käyttöön odotettua nopeammin.

Nykyinen internetinfrastruktuuri on suunniteltu keräämään tietoja jokaisesta vuorovaikutuksesta ja tallentamaan ne keskitettyyn tietovarastoon. Tämän jälkeen yritykset käyttävät näitä tietoja analysoidakseen käyttäjien käyttäytymistä verkossa ja kohdentaakseen mainoksia voiton tavoittelemiseksi ilman, että käyttäjälle on juurikaan hyötyä. Tietojen jakaminen on tietysti myös välttämätöntä monien internet-sovellusten toimivuuden kannalta. Hakukoneista sosiaalisen median alustoihin ja sähköisen kaupankäynnin sivustoihin tietojen jakaminen mahdollistaa monenlaiset verkkotoiminnot, joihin luotamme jokapäiväisessä elämässämme.

Monet internetin käyttäjät haluavat kuitenkin yhä useammin yksityistä internetiä. Tämä edellyttää uutta infrastruktuuria, jossa käyttäjät eivät automaattisesti jaa tietojaan sovellusten kanssa, mutta voivat silti hyötyä verkkopohjaisista verkkosovelluksista.

Tämä voidaan saavuttaa suorittamalla laskutoimituksia asiakkaan puolella ja osoittamalla ne sitten keskusyksikölle tai -tietokoneelle. Nollatietotodistukset (Zero-Knowledge Proofs, ZKP) ja -protokollat ovat johtavia ehdokkaita muodostamaan tämän uuden Internet-infrastruktuurin perustan, jossa yksityisyys on oletusasetus.

Tämä ei ole pelkkää futuristista kuvitelmaa, vaan alan valtava potentiaali on jo kasautumassa. Steel DAO:n hiljattain perustettu kryptovaluuttatutkimusosasto on seurannut tätä alaa ja nähnyt, että vuonna 2022 yli 725 miljoonaa dollaria on virrannut Zero-Knowledge Proof -ratkaisujen rakentamiseen erikoistuneisiin ”pure play” -yrityksiin.

Suurimmat rahoituskierrokset olivat Aleon ja Matter Labsin 200 miljoonaa dollaria ja Aztecin 100 miljoonaa dollaria. Muita yrityksiä ovat Scroll, RiscZero, Elusiv ja Mina Protocol.

Tämä ZK:ta koskeva tutkimus on peräisin tunnetulta amerikkalaiselta sijoitusyhtiöltä Bessemer Venture Partnersilta. Tässä artikkelissa selitetään ZKP:t ja zkEVM:t helposti ymmärrettävällä tavalla ja keskitytään alan kolmeen tärkeimpään innovaatioluokkaan: yksityisyys, skaalautuvuus ja uudet sovellukset sekä niiden mahdollisuudet ja haasteet, jotka on voitettava.

Mikä on nollatietotodistus (ZKP)?

Nollatietotodistus (Zero-Knowledge Proof, ZKP) on menetelmä, jolla voidaan todentaa lausuma tai laskelma paljastamatta mitään tietoa itse lausumasta.

Jos esimerkiksi alkoholijuomia myyvä verkkosivusto haluaa tarkistaa, onko kuluttaja yli 21-vuotias, ZKP voi vastata kysymykseen ”kyllä” tai ”ei” paljastamatta kuluttajan todellista ikää tai muita henkilötietoja.

Tyypillisesti ZKP:ssä on kaksi osapuolta: todentaja ja todentaja. Todentaja vastaa väitteen todistamisesta ja todentaja sen todentamisesta.

Nämä todisteet ratkaistaan huomattavia laskutoimituksia vaativien matemaattisten yhtälöiden avulla, joita alun perin tutkivat MIT:n tutkijat Shafi Goldwasser ja Silvio Micali yhdessä Charles Rackoffin kanssa Toronton yliopistosta.

Vaikka nämä todisteet ovat luonteeltaan teknisiä, niiden avulla voidaan ratkaista varsin laajoja käyttötapauksia.

Tarkastellaan esimerkiksi lainan hakemista. Nykytodellisuudessa hakijoiden on esitettävä todisteet varoistaan, luottotiedot ja muut olennaiset tiedot, joilla he voivat todistaa lainakelpoisuutensa. Hakijoiden on luotettava siihen, että pankki ei käytä arkaluonteisia ja henkilökohtaisia tietoja väärin.

ZKP:n avulla ihmiset voivat kuitenkin hakea lainaa paljastamatta mitään arkaluonteisia tietoja. Tämä voi muuttaa perusteellisesti tapaa, jolla käsittelemme yksityisyyttä sekä todellisessa että virtuaalimaailmassa, laajentaa nykyisiä perusketjuja ja edistää muita (tällä hetkellä kapealla alueella olevia) sovelluksia, kuten hajautettua tekoälyä.

Uskomme, että ZKP:n laajamittainen käyttöönotto lähivuosina edellyttää seuraavia kolmea tekijää:

1. Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machines (zkEVM) -virtuaalikoneiden jatkuva parantaminen;
2. Tietosuojaa koskevan tietoisuuden ja kysynnän lisääntyminen käyttäjien keskuudessa;
3. Layer-2-skaalausratkaisujen jatkuva käyttö.

Mikä on zkEVM? Miksi sillä on merkitystä?

zkEVM on Ethereumin virtuaalikoneen (EVM) kanssa yhteensopiva virtuaalikone, joka voi suorittaa ZKP-laskentoja. EVM on Ethereumissa käytettävien älykkäiden sopimusten ajoympäristö. Toisin sanoen ZKP:t voivat nyt olla vuorovaikutuksessa Ethereumissa olevien älykkäiden sopimusten kanssa, mikä mahdollistaa laajemman valikoiman yksityisyydensuojaa säilyttäviä käyttötapauksia, kuten ZK-rollupit.

Rollupit ovat skaalausratkaisu, joka käsittelee useita transaktioita ketjun ulkopuolella ja niputtaa ne sitten yhdeksi transaktioksi Ethereumissa, mikä vähentää transaktioiden käsittelykustannuksia ja -aikaa. Ennen tätä ZKP:t eivät olleet yhteensopivia Ethereumin älykkäiden sopimusten kanssa, ja ne oli kehitettävä erityisiä sovelluksia varten (esim. maksut, tokenien vaihto). Tässä artikkelissa tarkastelemme tarkemmin ZKP:n soveltamista yksityisyyden suojaan ja skaalautuvuuteen.

Yksityisyys

Yksi nollatietotodistusten (Zero-Knowledge Proofs, ZKPs) tärkeä matemaattinen ominaisuus on, että niiden avulla todentaja voi todentaa väitteen oikeellisuuden nollatietoisesti. Nykysovellukset edellyttävät tietojen siirtämistä paikallisista koneista keskitetyille palvelimille laskentaa varten.

Vaikka ZKP:t ovat tällä hetkellä suosittuja lähinnä kryptoyhteisössä, niiden sovellukset ulottuvat paljon lohkoketjujen ulkopuolelle. Suuret teknologiayritykset ovatkin tulleet tälle alalle ja vaativat itselleen suuren määrän ZKP:hen liittyviä patentteja.

Vuosina 2010-2021 Alibaba myönsi 1111 ZKP-patenttia, ja seuraavina tulevat Tencent (382 patenttia) ja IBM (225 patenttia). Alibaba ja Tencent keskittyvät erityisesti ZKP:n käyttötapauksiin rahoituspalveluissa, joissa niistä voi tulla ydininfrastruktuuri monille pankkiprosesseille, kuten asiakkaan henkilöllisyyden todentamiselle, lainojen käsittelylle ja sijoitustilien avaamiselle.

Uskomme, että ZKP-työkalujen ja -infrastruktuurin innovaatiot ja muutokset vaikuttavat siihen, miten olemme vuorovaikutuksessa sovellusten kanssa, joilla on sekä virtuaalisia että todellisia työnkulkuja, kolmella tavalla:

1) Tilin kirjautuminen

Nykyään kaikki sovellukset varmistavat käyttäjien henkilöllisyyden tallentamalla salasanoja. Vaikka Secure Remote Password Protocol (SRPP) ja ZKP:t ovat olleet käytössä jo jonkin aikaa, yksikään startup-yritys ei ole vielä hyödyntänyt tätä teknologiaa kilpailemaan Ocktan kanssa.

Tämä johtuu siitä, että verkkosovellukset on kirjoitettu JavaScriptillä, ja SRPP:n toteuttaminen verkkosovelluksissa on haastavaa kehittäjien kehittymättömien työkalujen vuoksi.

Uskomme, että käyttämällä nollatietotodistuksia laajasti käytettyjen sovellusten todennusprosessi voidaan suunnitella uudelleen, jolloin käyttäjät voivat todistaa omistavansa tilisalasanansa paljastamatta sitä sovellukselle.

2) Maksut

Sähköisen kaupankäynnin sivustot keräävät nykyään paljon käyttäjien taloudellisia tietoja, joita voidaan käyttää tavalla, joka ei aina ole asiakkaan kannalta suotuisa.

Vaikka tämä saattaa tuntua vähäpätöiseltä, uskomme, että on mahdollista kehittää standardoituja maksuliittymiä, jotka helpottavat maksamista paljastamatta käyttäjätietoja täysin tietämättömällä tavalla. Tämä vastaa Aztecin kaltaisia yksityisyyden suojaa korostavia Layer-2-skaalausratkaisuja, mutta tavanomaisia Internet-maksuja varten.

3) Verkkopohjainen (virtuaalinen) ja reaalimaailman henkilöllisyyden todentaminen

Lähes kaikissa verkossa ja reaalimaailmassa tapahtuvissa vuorovaikutustilanteissa käyttäjien on todennettava henkilöllisyytensä. Esimerkiksi viisumia hakiessaan henkilöiden on toimitettava pankkitiliotteet, passit ja muut arkaluonteiset tiedot kolmannelle osapuolelle.

Nollatietotodistusten avulla viisumin hakeminen johtaisi vain kyllä- tai ei-vastaukseen, joka osoittaisi, onko tarvittavat asiakirjat olemassa, paljastamatta kuitenkaan varsinaisia asiakirjoja.

Samoin kun ostamme kryptovaluuttaa verkossa, meidän on lähetettävä ”passimme” ja muut arkaluonteiset asiakirjat kolmannelle osapuolelle KYC/AML-tarkastuksia varten.

Notebook Labsin kaltaiset yritykset käyttävät nollatietotodistuksia estääkseen epäilyttäviä pahoja toimijoita toimimasta DeFi-protokollien kanssa. Tämä yritys myöntää ZKP:n varmentamia tunnuksia vaatimustenmukaisille käyttäjille, jolloin muut protokollat voivat tietää, että nämä käyttäjät ovat vaatimustenmukaisia katsomatta heidän asiakirjojaan.

Nollatietotodisteiden käyttötapauksia on odotettavissa myös lohkoketjujen ulkopuolella, vaikka lohkoketjujen olemassaolo mahdollistaa niiden skaalaamisen ainutlaatuisella tavalla.

Vaikka lohkoketjut on suunniteltu anonyymeiksi, ne eivät kuitenkaan suojaa yksityisyyttä, vaan kaikki transaktiot ovat täysin läpinäkyviä. Uskomme siis, että Aleon kaltaisia yksityisyyteen keskittyviä lohkoketjuja tarvitaan tämän ongelman ratkaisemiseksi.

Sen lisäksi, että käyttäjät pyrkivät jatkuvasti suojelemaan yksityisyyttä, on ratkaistava myös skaalautuvuuskysymys. Ethereumin kaltaiset ykköskerroksen järjestelmät kohtaavat skaalautuvuuden ”trilemman”, jossa on tehtävä kompromisseja skaalautuvuuden, turvallisuuden ja hajauttamisen välillä.

Jos Ethereum pyrkii esimerkiksi olemaan mahdollisimman turvallinen ja hajautettu, se saattaa uhrata skaalautuvuuden, mikä voi johtaa hitaampiin transaktioihin ja korkeampiin maksuihin Ethereumin käytön kasvaessa. Siksi nollatietotodistuksia voidaan käyttää myös skaalautuvuuden parantamiseen.

ZK Rollupin skaalautuvuus

Ethereumin kaltaisten lohkoketjujen skaalautuvuus voidaan saavuttaa kahdella tavalla: lisäämällä lohkojen transaktiokapasiteettia, mihin liittyy riskejä, kuten validoinnin vaikeutuminen, tai olemalla vuorovaikutuksessa lohkoketjun kanssa eri tavoin, kuten käsittelemällä transaktioita erissä ja lähettämällä ne yhtenä transaktiona pääverkkoon.

Ethereumin ylemmän tason verkkoja, jotka toteuttavat tämän lähestymistavan, kutsutaan L2-skaalausratkaisuiksi. Niiden avulla kehittäjät voivat rakentaa sovelluksia, jotka sijaitsevat Ethereumin ekosysteemissä ja hyödyntävät sen turvallisuutta, hajautusta ja verkostovaikutuksia, samalla kun ne lisäävät transaktioiden läpimenoa ja vähentävät transaktiokustannuksia.

Näitä ratkaisuja, jotka tunnetaan nimellä rollup, on kahdessa muodossa: Optimistinen rollup ja Zero-Knowledge (ZK) Rollup. Optimistiset rollupit perustuvat ”petostodisteisiin”, mikä tarkoittaa, että erätapahtumia pidetään pätevinä 7 päivän haastejakson aikana, jonka aikana kuka tahansa voi kyseenalaistaa niiden perustana olevien tapahtumien pätevyyden.

Toisaalta ZK Rollupissa ei oleteta, että transaktiot ovat oletusarvoisesti päteviä, vaan ne perustuvat ”pätevyystodistuksiin”, joilla tarkistetaan taustalla olevien transaktioiden pätevyys. Ne ovat riippuvaisia niiden matemaattisesta ominaisuudesta, jota kutsutaan nimellä ”soundness”.

Äänekkyys on matemaattinen tae siitä, että jos väite on väärä, yksikään huijaava todentaja ei voi vakuuttaa rehellistä todentajaa siitä, että se on totta, paitsi pienellä todennäköisyydellä. Tämä varmistetaan hyvin tutkituilla kryptografisilla oletuksilla ja todennettavissa olevilla laskutoimituksilla, jolloin todentajan on vaikea vahingoittaa järjestelmää pahantahtoisesti, esimerkiksi muuttamalla syötteitä.

ZK Rollupit voivat käsitellä maksutapahtumia nopeammin, eivätkä ne vaadi 7 päivän haastejaksoa kuten Optimistiset Rollupit. Siksi käyttäjien ei tarvitse odottaa yhtä kauan varojen nostamista Layer 2.

Haasteet ja mahdollisuudet

Nollatietotodistukset, mukaan lukien zkEVM:t, ovat vasta alkuvaiheessa, ja niillä on sekä kehityshaasteita että merkittäviä mahdollisuuksia. Monet ZK Rollup -verkostot eivät ole vielä toteuttaneet natiiveja zkEVM:iä, ja zkEVM:t eivät ole vielä saavuttaneet laajaa kehittäjäyleisöä sovellusten rakentamista varten.

Uskomme, että kaksi tekijää on ratkaisevassa asemassa tämän ongelman ratkaisemisessa:

1. Layer 2 -ratkaisujen käyttöönotto ja integrointi olemassa olevaan infrastruktuuriin ja
2. Käyttäjäystävällisempien käyttöliittymien kehittäminen.

On kiistatonta, että ZK Rollup- ja zkEVM-innovaatiot kehittyvät nopeasti, eivätkä monet verkot ole vielä integroineet näitä työkaluja kehityspinoihinsa.

Vaikka esimerkiksi Loopring ja ImmutableX tarjoavat ZK Rollups -ratkaisuja, kumpikaan ei ole integroinut zkEVM-ratkaisua. Tämä johtuu osittain ZK Rollup -todistusten monimutkaisuudesta, zkEVM-työkalujen nopeasta iteroitumisesta ja kypsän zkEVM-kehitysympäristön puuttumisesta.

Tästä huolimatta Matter Labs:n zkSync on yksi suosituimmista L2-skaalausratkaisuista, joka tukee zkEVM:ää ja saa runsaasti rahoitusta jatkokehitystä varten. Uskomme, että zkSync ja muut tekevät edistysaskelia kohti zkEVM:n rakentamista, kun taas Ethereum Foundation ja Arbitrumin (Optimistic Rollup -skaalausratkaisu) takana oleva tiimi ovat siirtymässä toteuttamaan zkEVM:ää omissa L2-ratkaisuissaan.

zkEVM:llä on myös haasteita sen yhdistettävyyden ja tarkastettavuuden parantamisessa verkon laajemman ekosysteemin kannalta. zkEVM:n yhdistettävyys, jolla tarkoitetaan eri sovellusten yhdistämisen helppoutta monimutkaisempien sovellusten luomiseksi samassa ekosysteemissä, on vielä alkuvaiheessa.

zkEVM-työkalut ovat vielä kehittymättömiä, mikä on merkittävä haaste kehittäjille, jotka haluavat luoda uudenlaisia zk-sovelluksia. Lisäksi zkEVM:n tarkastettavuus on kriittinen tekijä monilla teollisuudenaloilla, erityisesti yritysmaailmassa.

zkEVM-tarkastettavuuden saavuttaminen on kuitenkin monimutkainen prosessi, joka edellyttää älykkäiden sopimusten muodollista todentamista, mikä tekee siitä perinteistä EVM-tarkastusta haastavamman. Uskomme, että zkEVM:n kokoonpantavuuden ja tarkastettavuuden parantaminen on ratkaisevan tärkeää ZK Rollup -ratkaisujen laajemman käyttöönoton kannalta.

ZkEVM-kehitykseen liittyvien haasteiden lisäksi ZK-sovelluksilla on laajempi mahdollisuus luoda uusia sovelluksia, jotka kattavat eri lohkoketjuja ja ekosysteemejä.

zkSync ja muut, kuten Celestia ja StarkNet, investoivat zkEVM- ja ZK-sovellusten luomiseen, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa useiden lohkoketjujen välillä, mikä tunnetaan nimellä cross-chain communication.

Tämän kyvyn ansiosta ZK-sovellukset voisivat yhdistää eri lohkoketjujen vahvuudet ja luoda uudenlaisia sovelluksia, kuten ketjujen välisiä DeFi- ja sosiaalisia verkostoja.

ZKP Markkinakartta

Lopulliset ajatukset

ZK-ala on vielä lapsenkengissään, mutta se kehittyy nopeasti ja sillä on laaja vaikutus monilla teollisuudenaloilla. Uskomme, että ZKP:t ja zkEVM:t ovat merkittävässä asemassa yksityisyyteen keskittyvän infrastruktuurin ja sovellusten kehittämisessä tulevaisuudessa sekä lohkoketjuverkkojen skaalautuvuuden ja toiminnallisuuden laajentamisessa.

Vaikka ZKP:t ovat vielä suhteellisen uusia, innovaatiopotentiaali ja muutosmahdollisuudet ovat valtavat, ja odotamme niiden kasvun ja käyttöönoton jatkuvan lähivuosina. Kun yhä useammat yritykset, kehittäjät ja käyttäjät tunnistavat nollatietotodisteiden arvon, uskomme, että teknologiasta tulee olennainen osa digitaalista maailmaamme ja että se edistää turvallisemman, yksityisemmän ja skaalautuvamman internetin luomista.