Wat is ZK Rollup? Alles wat je moet weten

Stel je een veilig internet van de volgende generatie voor, waar je persoonlijke gegevens beschermd zijn vanaf het moment dat je inlogt. In dit nieuwe internet blijven je gegevens op je apparaat staan, volledig onder jouw controle, waardoor het risico op en de angst voor diefstal of fraude verdwijnen. Wij geloven dat een toekomstige internetinfrastructuur die veiligheid en privacy hoog in het vaandel heeft, er wel eens sneller zou kunnen komen dan verwacht.

De huidige internetinfrastructuur is ontworpen om gegevens van elke interactie te extraheren en op te slaan in gecentraliseerde gegevensopslag. Bedrijven gebruiken deze gegevens vervolgens om het gedrag van gebruikers online te analyseren en advertenties te targeten voor winst, zonder veel waarde voor de gebruiker. Natuurlijk is het delen van gegevens ook essentieel voor de functionaliteit van veel internettoepassingen. Van zoekmachines tot sociale mediaplatforms tot e-commercesites, het delen van gegevens maakt het brede scala aan online activiteiten mogelijk waar we in ons dagelijks leven op vertrouwen.

Veel internetgebruikers verlangen echter steeds meer naar een privé-internet. Hiervoor is een nieuwe infrastructuur nodig waarbij gebruikers hun gegevens niet automatisch delen met applicaties, maar toch kunnen profiteren van netwerkgestuurde online toepassingen.

Dit kan worden bereikt door berekeningen uit te voeren aan de kant van de client en deze vervolgens te bewijzen aan een centrale entiteit of computer. Zero-Knowledge Proofs (ZKP’s) en protocollen zijn belangrijke kandidaten om de basislaag te vormen van deze nieuwe internetinfrastructuur, waar privacy de standaardinstelling is.

Dit is niet alleen een futuristische fantasie; het enorme potentieel op dit gebied stapelt zich nu al op. De nieuw opgerichte cryptocurrency onderzoeksafdeling van Steel DAO heeft dit gebied gevolgd en zag in 2022 meer dan $725 miljoen stromen naar “pure play” bedrijven die gespecialiseerd zijn in het bouwen van Zero-Knowledge Proof oplossingen.

De grootste financieringsrondes waren $200 miljoen voor zowel Aleo als Matter Labs, gevolgd door $100 miljoen voor Aztec. Andere bedrijven zijn Scroll, RiscZero, Elusiv en Mina Protocol.

Dit onderzoek naar ZK is afkomstig van het gerenommeerde Amerikaanse investeringsbedrijf Bessemer Venture Partners. In dit artikel worden ZKP’s en zkEVM’s op een begrijpelijke manier uitgelegd, waarbij de nadruk ligt op drie belangrijke innovatiecategorieën op dit gebied: privacy, schaalbaarheid en nieuwe toepassingen, samen met hun potentieel en de uitdagingen die overwonnen moeten worden.

Wat is een ZKP (Zero-Knowledge Proof)?

Zero-Knowledge Proof (ZKP) is een methode om een bewering of berekening te verifiëren zonder enige informatie over de bewering zelf te onthullen.

Als een website die alcoholische dranken verkoopt bijvoorbeeld wil controleren of een consument ouder is dan 21, kan een ZKP de vraag beantwoorden met “ja” of “nee” zonder de werkelijke leeftijd van de consument of andere identiteitsinformatie te onthullen.

Bij ZKP’s zijn meestal twee partijen betrokken: de verifieerder en de verifieerder. De verifieerder is verantwoordelijk voor het bewijzen van de verklaring en de verifieerder is verantwoordelijk voor het verifiëren ervan.

Deze bewijzen worden opgelost door middel van wiskundige vergelijkingen die aanzienlijke berekeningen vereisen, oorspronkelijk bestudeerd door MIT-onderzoekers Shafi Goldwasser en Silvio Micali, samen met Charles Rackoff van de Universiteit van Toronto.

Hoewel deze bewijzen technisch van aard zijn, zijn de gebruikssituaties die ze kunnen oplossen eigenlijk heel breed.

Laten we bijvoorbeeld eens kijken naar het aanvragen van een lening. In de realiteit van vandaag moeten aanvragers geldbewijzen, kredietscores en andere relevante informatie verstrekken om aan te tonen dat ze in aanmerking komen voor de lening. Aanvragers moeten erop kunnen vertrouwen dat de bank geen misbruik zal maken van gevoelige en persoonlijke informatie.

Met ZKP kunnen mensen echter een lening aanvragen zonder gevoelige gegevens vrij te geven. Dit heeft het potentieel om de manier waarop we omgaan met privacy in zowel de echte als de virtuele wereld fundamenteel te veranderen, bestaande basisketens uit te breiden en andere (momenteel niche) toepassingen zoals gedecentraliseerde AI te bevorderen.

Wij geloven dat de grootschalige toepassing van ZKP in de komende jaren de volgende drie factoren vereist:

1. Continue verbetering van Zero-Knowledge Ethereum Virtual Machines (zkEVM’s);
2. Toenemende bewustwording en vraag naar gegevensprivacy onder gebruikers;
3. Voortdurend gebruik van Layer-2 schaaloplossingen.

Wat is zkEVM? Waarom is het belangrijk?

Een zkEVM is een virtuele machine die compatibel is met de Ethereum Virtual Machine (EVM) die ZKP-berekeningen kan uitvoeren. De EVM is de runtime-omgeving voor slimme contracten op Ethereum. Met andere woorden, ZKP’s kunnen nu samenwerken met slimme contracten op Ethereum, waardoor de ontwikkeling van een breder scala aan privacybehoudende use cases, waaronder ZK-rollups, mogelijk wordt.

Rollups zijn een schaalbare oplossing die meerdere transacties off-chain verwerken en deze vervolgens bundelen tot een enkele transactie op Ethereum, waardoor de kosten en tijd van het verwerken van transacties worden verlaagd. Hiervoor waren ZKP’s niet compatibel met slimme contracten op Ethereum en moesten ze ontwikkeld worden voor specifieke toepassingen (bijv. betalingen, tokenuitwisselingen). In dit artikel gaan we dieper in op de toepassing van ZKP in privacy en schaalbaarheid.

Privacy

Een belangrijke wiskundige eigenschap van Zero-Knowledge Proofs (ZKP’s) is dat ze een verificateur in staat stellen om de juistheid van een bewering te valideren op een zero-knowledge manier. De toepassingen van vandaag vereisen dat gegevens van lokale machines naar centrale servers worden overgebracht voor berekeningen.

Hoewel ZKP’s momenteel vooral populair zijn in de cryptogemeenschap, reiken hun toepassingen veel verder dan de blockchainruimte. Grote techbedrijven hebben zich op dit gebied begeven en claimen een groot aantal ZKP-gerelateerde patenten.

Van 2010 tot 2021 heeft Alibaba 1.111 ZKP-octrooien uitgegeven, op de voet gevolgd door Tencent (382 octrooien) en IBM (225 octrooien). Met name Alibaba en Tencent richten zich op de gebruiksmogelijkheden van ZKP in de financiële dienstverlening, waar ze de kerninfrastructuur zouden kunnen worden voor veel bankprocessen, waaronder identiteitscontrole van klanten, het verwerken van leningen en het openen van beleggingsrekeningen.

Wij geloven dat innovaties en transformaties in ZKP tools en infrastructuur op drie manieren invloed zullen hebben op hoe we omgaan met applicaties die zowel virtuele als echte workflows hebben:

1) Inloggen account

Tegenwoordig verifiëren alle applicaties de identiteit van gebruikers door wachtwoorden op te slaan. Hoewel Secure Remote Password Protocol (SRPP) met ZKP’s al enige tijd bestaat, heeft nog geen enkele startup deze technologie gebruikt om te concurreren met Okta.

Dit komt omdat webapplicaties geschreven zijn in JavaScript en het implementeren van SRPP in webapplicaties een uitdaging is vanwege onvolgroeide ontwikkelaarstools.

Wij geloven dat door gebruik te maken van Nul-Kennis Bewijzen het authenticatieproces van veelgebruikte applicaties opnieuw ontworpen kan worden, zodat gebruikers kunnen bewijzen dat ze het wachtwoord van hun account bezitten zonder het aan de applicatie te onthullen.

2) Betalingen

Hedendaagse e-commercesites verzamelen veel financiële gegevens van gebruikers, die gebruikt kunnen worden op manieren die niet altijd gunstig zijn voor de klant.

Hoewel dit een klein probleem lijkt, denken we dat er ruimte is om gestandaardiseerde betalings-API’s te ontwikkelen die betalingen mogelijk maken zonder gebruikersgegevens te onthullen, op een volledig ‘zero-knowledge’ manier. Dit is vergelijkbaar met privacy-first Layer-2 schaaloplossingen zoals Aztec, maar dan voor reguliere internetbetalingen.

3) Online (virtuele) en echte identiteitsverificatie

Bij bijna alle online en echte interacties moeten gebruikers hun identiteit verifiëren. Bijvoorbeeld bij het aanvragen van een visum moeten mensen bankafschriften, paspoorten en andere gevoelige gegevens aan een derde partij verstrekken.

Met Zero-Knowledge Proofs zou het aanvragen van een visum alleen resulteren in een “ja” of “nee” antwoord, dat aangeeft of de benodigde documenten aanwezig zijn zonder de daadwerkelijke documenten te onthullen.

Op dezelfde manier moeten we bij het online kopen van cryptocurrency ons “paspoort” en andere gevoelige documenten naar een derde partij sturen voor KYC/AML-controles.

Bedrijven zoals Notebook Labs gebruiken Zero-Knowledge Proofs om te voorkomen dat verdachte slechte actoren interactie hebben met DeFi-protocollen. Dit bedrijf geeft door ZKP geverifieerde tokens uit aan gebruikers die zich aan de regels houden, waardoor andere protocollen weten dat deze gebruikers zich aan de regels houden zonder hun documenten te bekijken.

Verwacht use cases voor Zero-Knowledge Proofs buiten de blockchainruimte, hoewel het bestaan van blockchain de unieke schaalbaarheid ervan mogelijk maakt.

Bovendien, hoewel blockchains ontworpen zijn om anoniem te zijn, bieden ze geen privacybescherming, waarbij alle transacties volledig transparant zijn. We geloven dus dat privacygerichte blockchains zoals Aleo nodig zijn om dit probleem aan te pakken.

Naast het voortdurende streven naar privacy door gebruikers, moet ook het schaalbaarheidsprobleem worden aangepakt. Layer 1’s zoals Ethereum hebben te maken met het “trilemma” van schaalbaarheid, waarbij een afweging moet worden gemaakt tussen schaalbaarheid, veiligheid en decentralisatie.

Als Ethereum bijvoorbeeld zo veilig en gedecentraliseerd mogelijk wil zijn, kan het schaalbaarheid opofferen, wat kan leiden tot langzamere transacties en hogere kosten naarmate het gebruik van Ethereum groeit. Daarom kunnen Zero-Knowledge Proofs ook worden gebruikt om de schaalbaarheid te verbeteren.

Schaalbaarheid van ZK Rollup

Schaalbaarheid voor blockchains zoals Ethereum kan op twee manieren worden bereikt: door de transactiecapaciteit van blokken te vergroten, wat risico’s met zich meebrengt zoals het moeilijker maken van validatie; of door op verschillende manieren met de blockchain om te gaan, zoals het verwerken van transacties in batches en deze als een enkele transactie indienen bij het hoofdnetwerk.

De bovenlaagnetwerken van Ethereum die deze benadering implementeren, worden L2-schalingsoplossingen genoemd. Ze stellen ontwikkelaars in staat om toepassingen te bouwen die zich binnen het ecosysteem van Ethereum bevinden en gebruik maken van de veiligheid, decentralisatie en netwerkeffecten ervan, terwijl ze ook de doorvoer van transacties verhogen en de transactiekosten verlagen.

Deze oplossingen, bekend als rollup, zijn er in twee vormen: Optimistic Rollup en Zero-Knowledge (ZK) Rollup. Optimistic Rollups vertrouwen op “fraudebewijzen”, wat betekent dat batchtransacties als geldig worden beschouwd binnen een uitdagingsperiode van 7 dagen, waarin iedereen de geldigheid van de onderliggende transacties kan betwisten.

Aan de andere kant gaan ZK Rollups er niet standaard van uit dat transacties geldig zijn, maar vertrouwen in plaats daarvan op “geldigheidsbewijzen”, die de geldigheid van de onderliggende transacties verifiëren. Ze zijn afhankelijk van hun wiskundige eigenschap genaamd “degelijkheid”.

Deugdelijkheid is de wiskundige garantie dat als een verklaring onwaar is, geen bedriegende verificateur een eerlijke verificateur ervan kan overtuigen dat de verklaring waar is, behalve met een kleine waarschijnlijkheid. Dit wordt gegarandeerd door goed onderzochte cryptografische aannames en verifieerbare berekeningen, waardoor het moeilijk is voor een verificateur om kwaadwillig met het systeem te knoeien, bijvoorbeeld door invoer te veranderen.

ZK Rollups kunnen transacties sneller verwerken en hebben geen 7-daagse uitdaagperiode nodig zoals Optimistic Rollups. Daarom hoeven gebruikers niet zo lang te wachten tot geld wordt opgenomen van Laag 2.

Uitdagingen en kansen

Zero-Knowledge Proofs, inclusief zkEVMs, bevinden zich in een vroeg stadium en worden geconfronteerd met zowel ontwikkelingsuitdagingen als significante kansen. Veel ZK Rollup netwerken hebben nog geen native zkEVM’s geïmplementeerd en zkEVM’s moeten nog een breed ontwikkelaarspubliek bereiken voor het bouwen van applicaties.

Wij geloven dat twee factoren cruciaal zijn bij het oplossen van dit probleem:

1. Laag-2 oplossingen toepassen en integreren met bestaande infrastructuur en
2. Gebruiksvriendelijkere interfaces ontwikkelen.

Het valt niet te ontkennen dat de innovaties van ZK Rollup en zkEVM zich snel ontwikkelen en dat veel netwerken deze tools nog niet hebben geïntegreerd in hun ontwikkelstacks.

Hoewel Loopring en ImmutableX bijvoorbeeld ZK Rollups aanbieden, heeft geen van beide een zkEVM oplossing geïntegreerd. Dit komt deels door de complexiteit van ZK Rollup bewijzen, de snelle iteratie van zkEVM gereedschappen en het gebrek aan een volwassen zkEVM ontwikkelomgeving.

Niettemin is Matter Labs‘ zkSync een van de populairste L2-schalingsoplossingen, die zkEVM ondersteunt en veel geld krijgt voor verdere ontwikkeling. Wij geloven dat zkSync en anderen vooruitgang boeken met het bouwen van zkEVM, terwijl de Ethereum Foundation en het team achter Arbitrum (een Optimistic Rollup-schalingsoplossing) stappen zetten om zkEVM in hun eigen L2-oplossingen te implementeren.

zkEVM’s staan ook voor uitdagingen bij het verbeteren van de combineerbaarheid en controleerbaarheid voor het bredere ecosysteem van het netwerk. zkEVM’s bevinden zich nog in het beginstadium van het aanpakken van combineerbaarheid, wat verwijst naar het gemak waarmee verschillende toepassingen kunnen worden gecombineerd om complexere toepassingen binnen hetzelfde ecosysteem te creëren.

zkEVM tools zijn nog steeds onvolwassen, wat een grote uitdaging vormt voor ontwikkelaars die nieuwe soorten zk toepassingen willen maken. Daarnaast is de controleerbaarheid van zkEVM cruciaal voor veel industrieën, vooral in de bedrijfsomgeving.

Het bereiken van zkEVM controleerbaarheid is echter een complex proces dat formele verificatie van slimme contracten inhoudt, waardoor het een grotere uitdaging is dan traditionele EVM auditing. We geloven dat het verbeteren van de samenstelbaarheid en controleerbaarheid van zkEVM cruciaal zal zijn voor een bredere toepassing van ZK Rollup oplossingen.

Naast de uitdagingen op het gebied van zkEVM-ontwikkeling, hebben ZK-toepassingen te maken met een bredere mogelijkheid om nieuwe toepassingen te creëren die verschillende blockchains en ecosystemen overspannen.

zkSync en anderen zoals Celestia en StarkNet investeren in het creëren van zkEVM en ZK toepassingen die kunnen communiceren over meerdere blockchains, een ontwikkeling die bekend staat als cross-chain communicatie.

Dit vermogen zou ZK-toepassingen in staat kunnen stellen om de sterke punten van verschillende blockchains te combineren om nieuwe vormen van toepassingen te creëren, waaronder cross-chain DeFi en cross-chain sociale netwerken.

ZKP Markt Kaart

Laatste gedachten

Het ZK-veld staat nog in de kinderschoenen, maar het ontwikkelt zich snel en zal een brede impact hebben op verschillende industrieën. Wij geloven dat ZKP’s en zkEVM’s een belangrijke rol zullen spelen in de toekomstige ontwikkeling van privacy-gerichte infrastructuur en toepassingen, en in het uitbreiden van de schaalbaarheid en functionaliteit van blockchain-netwerken.

Hoewel ZKP’s nog relatief nieuw zijn, is het potentieel voor innovatie en transformatie enorm en verwachten we de komende jaren een aanhoudende groei en adoptie. Naarmate meer bedrijven, ontwikkelaars en gebruikers de waarde van Zero-Knowledge Proofs inzien, denken we dat de technologie een integraal onderdeel van onze digitale wereld zal worden en de ontwikkeling van een veiliger, privaat en schaalbaar internet zal stimuleren.