ZK クロスチェーン通信プロトコル：安全で低コストな全チェーンDAppの未来

IOSGベンチャーズ

2023-02-28 17:13:38

コレクション

ZKPはクロスチェーン通信に新しい方法を提供します。従来のクロスチェーンブリッジのセキュリティ問題を完全に解決することはできませんが、ZKPの力を借りることで、安全なクロスチェーンメッセージ通信のコストが大幅に削減されました。

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著者：Yiping, IOSG Ventures

TL;DR

ZKはクロスチェーン通信に安全で低コストな方法を提供します
クロスチェーン通信プロトコルはまだ初期段階にありますが、DAppが異なるチェーン上のデータにアクセスできるようになることが期待されています
DeFi、全チェーンDAppはクロスチェーンDAppの発展から恩恵を受けるでしょう
クロスチェーンDAppの影響は今後数年で非常に大きくなると予想されており、グローバリゼーションの影響と同様です
開発者はクロスチェーンDAppを構築する最良の方法を探求しています
レイテンシー、安全性、コストはZKクロスチェーン情報プロトコルの主要指標です
ZKクロスチェーンプロトコルの4つの主要コンポーネントは：ストレージ証明の生成、ストレージ証明とZKPの結合、ZKPの中継、コミットメントの展開です

前言

以前はイーサリアムとビットコインだけでした。彼らは最も流動性が高く、最も多くのユーザー、最も多くのアプリケーション、最も多くの取引を持っていました。2020年以降、Avalanche、Polygon、BSCなどの多くの新しいブロックチェーンが登場しました。

これらのチェーンのメインネットが立ち上がった後、私たちはイーサリアムとビットコインからALTチェーンへのパラダイムシフトを目の当たりにしました。ユーザーは新しい機会を求めてイーサリアムからALTチェーンに移動しました。開発者は既存のプロジェクトをフォークするためにイーサリアムからALTチェーンに移動しました。これらの開発者は、高いリターンを求めるユーザーのために新しい機会を創出しました。

イーサリアムはかつて、暗号通貨の世界でビットコインを除くすべての流動性を持っていました。2020年末には、イーサリアムのTVLの割合が急激に60%程度に減少しました。以下は165のチェーンのTVLデータです。

今日、主要なチェーンのTVLの円グラフはこのように見えます。イーサリアムは大部分の流動性を占めています。TronとBSCはそれぞれ2位と3位を占めています。

資産と流動性が異なるチェーンに分散された後、ユーザーは異なるチェーン上で資産を管理し、移動する方法を考え始めました。資産発行者も異なるチェーンに拡張することでユーザーを拡大する方法を考えています。

クロスチェーン資産ブリッジは2022年に人気が出始めました。ユーザーはもはやCEXをクロスチェーンブリッジとして使用せず、分散型のクロスチェーンブリッジに移行しようとしています。資産のクロスチェーンブリッジは時々詰まることがあり、攻撃を受けやすいですが、使いやすく、大量の資金を移動するために使用されます。

しかし、資産のクロスチェーンブリッジはまだ初期段階にあり、DApp開発者のニーズを満たすことができません。資産のクロスチェーンブリッジは、同じ資産が異なるネットワーク間で流動することしかできません。これは開発者にとっては用途が限られすぎています。開発者はより汎用的なクロスチェーンの方法を探しています。

クロスチェーン通信は強力なカスタマイズ性を持っています。開発者はクロスチェーン通信に基づいて全チェーンDAppを開発できます。DAppの構築者は異なるチェーン間でメッセージを伝達し、必要なブロック情報を取得したいと考えています。これらの特性により、全チェーンDAppの構築パラダイムは、相互に通信しない設計から分散型の設計に移行しました。相互に通信せず、独立したモデルでは、異なるチェーン上のDAppインスタンスは互いにデータを共有できません。分散型設計では、DAppインスタンスは互いに通信でき、定期的にデータを1つのインスタンスに同期できます。このインスタンスはすべてのデータを取得し、他のインスタンスのパラメータを変更できます。

ZK駆動のクロスチェーン通信を利用することで、ZKPは簡潔な証明を提供でき、ストレージを少なく消費し、ソースチェーンの状態をターゲットチェーンに中継できます。さらに、ターゲットチェーン上でSNARK証明を検証するのは比較的安価です。ZKPのこの2つの重要な特性は、低コストのクロスチェーンメッセージと状態伝達を実現できます。ターゲットチェーン上でソースチェーンの状態を検証することで、IBCスタイルのクロスチェーンブリッジを実現できます。これにより、クロスチェーンの安全性が大幅に向上します。

現状

ほとんどのブロックチェーンネットワークは相互に隔離されており、直接資産やトークンを交換することができません。クロスチェーン資産ブリッジは、ユーザーが異なるブロックチェーンネットワーク間で資産やトークンを移動することを可能にします。

Wormwhole、cbridge、Stargateなどのプロジェクトの登場により、クロスチェーン資産ブリッジの概念は過去数年で注目を集め始めました。これらのプロジェクトは、ユーザーがシームレスに資産やトークンを交換できる相互運用可能なブロックチェーンブリッジを作成することを目的としています。

クロスチェーン資産ブリッジは開発者のニーズを満たすことができません。開発者は、より汎用的なクロスチェーンの方法、つまりクロスチェーンメッセージプロトコルを探しています。開発者のニーズを満たすために、これらのクロスチェーンブリッジのほとんどは独自のクロスチェーンメッセージプロトコルを持っています。例えば、Celer IM、LayerZero、MultichainのanyCall、Connextのxcallなどです。彼らはこのようなAPIを提供しています。

クロスチェーンメッセージ通信プロトコルは、そのクロスチェーン資産プロトコルに基づいて実装されています。いくつかの修正を加えることで、これらのクロスチェーン資産プロトコルは現在、チェーン間でメッセージを伝達できるようになりました。これにより、クロスチェーンメッセージプロトコルのカスタマイズ機能を実装するのが難しくなります。なぜなら、全体の設計がクロスチェーン資産移転と互換性を持つ必要があるからです。彼らは、メッセージを1つのチェーンから異なるチェーン上のすべての他のデプロイされた契約にブロードキャストするなど、クロスチェーンアプリケーションを構築するためのいくつかの重要な機能を欠いています。これにより、開発者は実用的な全チェーンDAppを構築するのが難しくなります。

クロスチェーンメッセージ通信プロトコルはまだ初期段階にあります。大規模な全チェーンDAppは、これらのクロスチェーン通信プロトコルの上に完全に構築されていません。

なぜZKが必要なのか？

これらのクロスチェーンブリッジは、資金の利用率を向上させ、ユーザー体験を改善するなど、多くの便利さをもたらしましたが、同時に安全リスクももたらしました。クロスチェーンブリッジに対する攻撃は、ユーザーに大きな経済的損失をもたらしました。これにより、安全性がクロスチェーンブリッジ開発の最優先事項となりました。これらの攻撃により、ユーザーは15億ドル以上の損失を被りました。

1年以内に、クロスチェーンブリッジはハッカー事件で約13億ドルの総損失を被りました。クロスチェーンブリッジの使用手数料は約5‱です。Multichainはクロスチェーンブリッジの中で主要なプロジェクトです。Multichainの30日間の取引量は17億ドルで、手数料収入は635Kドルです。したがって、年間の取引量は約204億ドル、手数料収入は760万ドルです。このように推定すると、クロスチェーンブリッジ市場の手数料総収益は、ハッカーに盗まれた資金よりもはるかに少ないです。

ソースチェーンのブロックヘッダーを検証することで、ZKPクロスチェーンメッセージプロトコルは一部の安全問題を緩和できます。ユーザーはターゲットチェーン上でソースチェーンの証明に直接アクセスし、証明を自分で検証できます。ZKPがなければ、これは非常に困難です。従来のプロジェクトでは、このような検証コストは非常に高く、ユーザーが負担できません。

設計

この部分では、ZKPがどのようにして低コストで安全なクロスチェーン情報通信を実現するかについて議論します。

メッセージを中継するためにZKPを使用するというアイデアは直感的ですが、詳細な設計は非常に複雑です。全体のワークフローは以下のステップに分解できます：

どのデータをターゲットチェーンに渡すかを決定する
ストレージ証明を取得する（データがEVMストレージに存在することを証明する）
ストレージ証明に基づいてZK証明を生成する
ZK証明を起始チェーンからターゲットチェーンに渡す
ターゲットチェーン上でZK証明を展開する
ターゲットチェーンでクロスチェーン情報を読み取る
ストレージ証明を生成する

ほとんどのEVM互換チェーンはこの機能を提供しています。ユーザーがストレージスロットを明確にしたら、RPCを呼び出してこの方法でストレージ証明を生成できます。

EVM互換チェーンは、アカウントとデータを保存するためにMerkleツリーを使用します。これにより、これらのデータを検証するためのMerkle証明を作成することが比較的簡単になります。

Merkleツリーは、コンピュータサイエンスで使用されるデータ構造の一種です。暗号学やブロックチェーンでの使用が多いです。これは、その発明者Ralph Merkleの名前にちなんで名付けられ、バイナリハッシュツリーとも呼ばれます。Merkleツリーの基本的な考え方は、大量のデータを小さな部分に分割し、それぞれの部分をハッシュ処理し、ハッシュ値を組み合わせて単一のルートハッシュ値を形成することです。このルートハッシュは、全データセットの指紋として機能し、データの完全性を効率的かつ安全に検証することを可能にします。

ブロックチェーンでは、Merkleツリーはブロック内の取引を集約し、検証するために使用されます。各取引はハッシュ処理され、ツリーに追加され、ハッシュ値は特定の方法で組み合わせて単一のルートハッシュ値を形成し、ブロックヘッダーに追加されます。これにより、大量の取引の有効性を効率的かつ安全に検証でき、各取引を個別に検証する必要がありません。取引内のデータが変更されると、ルートハッシュも変更され、データが改ざんされたことを示します。

Merkle証明、またはMerkleパスは、特定のデータがMerkleツリーに含まれていることを証明する暗号学的証明です。Merkleツリー証明は、取引や他のデータの真実性を検証する方法を提供し、全体のMerkleツリーをダウンロードして検証する必要がありません。

Merkle証明では、ユーザーはMerkleツリーの底からルートハッシュまでの一連のハッシュと、検証する具体的なデータを提供します。特定のデータから始めてツリーを上に向かって進むことで、受信者はルートハッシュを計算し、それをブロックヘッダーに保存されているルートハッシュと比較できます。計算されたルートハッシュが保存されたルートハッシュと一致すれば、受信者は特定のデータがブロックに含まれており、変更されていないことを確信できます。

Merkle証明は、ブロックチェーンネットワークの効率とスケーラビリティを確保するための重要な要素です。Merkleツリー全体をダウンロードして検証することなく特定のデータを検証できることにより、Merkle証明は転送および処理するデータ量を減少させ、ネットワーク全体のパフォーマンスを向上させます。

ストレージ証明とZKPの結合

全ストレージ証明をターゲットチェーンに公開することは現実的ではありません。なぜなら、それは非常に大きく、約4kbだからです。証明の検証も非常に高価です。イーサリアムでの検証には600kガスが必要です。ガス価格が30gweiの場合、総費用は0.018ETH（30ドル）になります。

この場合、ZKPは圧縮と可組み合わせ性を提供できます。開発者はMerkleツリープルーフに基づいてZKPを作成できます。これにより、証明のサイズが大幅に削減され、証明の検証が容易になります。Plonkの検証には約290kガスが必要です。ガス価格が30gweiの場合、総費用は0.009ETH（15ドル）です。一度のGroth16検証には約210kガスが必要です。ガス価格が30gweiの場合、総費用は0.006ETH（10ドル）です。

可組み合わせ性を利用して、開発者は異なるストレージ証明を1つのZKPに組み合わせてリソースを節約できます。

ZKPの中継

関連するコミットメント（状態ルートや関連するZKPなど）をターゲットチェーンに安全に渡すためには、コンセンサスメカニズムを設計する必要があります。

ZKPの中継には3つの一般的な方法があります：

メッセージング：いくつかのメッセージングプロトコルを使用してZKPを渡し、OPコードを通じて関連するコミットメントを取得します

コンセンサス検証：コンセンサスアルゴリズムを実行して関連するコミットメントを検証します

Optimistic MPCリレイヤー：多くのクロスチェーン資産ブリッジやOPRU設計で見られる部分的なアイデアです。初期チェーンとターゲットチェーンの間に委員会があります。委員会の参加者がコミットメントの有効性を決定します。誰でも有効性に異議を唱えることができます。しかし、異議が発生した場合、ブリッジはRollupのようにロールバックできません。悪意のあるメッセージの伝達を実際に阻止するためには、別の挑戦者のグループが必要です。この状況では、挑戦コストが高く、レイテンシーも高くなります。なぜなら、これはルートハッシュとすべてのCALL DATAを初期チェーンにアップロードし続けることを含むからです。また、これはピアツーピアの方法でしか機能しません。

ZKPの中継において最も重要な要素は以下の通りです：

レイテンシー
コスト
信頼
オフチェーン計算

メッセージングのレイテンシーはかなり高いです。なぜなら、メッセージングには確認に時間がかかるからです。ブロックが生成された後、ユーザーは伝達が成功したことを確認できます。コストの面では、メッセージングには2つのチェーンとの相互作用が必要であるため、比較的高くなります。この方法は信頼が少なくて済みます。なぜなら、安全性はチェーンの安全性に等しいからです。この方法では、オフチェーン計算は行われません。

コンセンサス検証は実行可能な方法です。これはメッセージングと似たようなレイテンシー、信頼仮定、コストを持っています。しかし、署名をオフチェーンで検証する必要があります。これにより、大量のオフチェーン計算のオーバーヘッドが発生します。しかし、コンセンサス検証は今日、ZKPを通じて実行することもできます。

Optimistic MPCリレイヤーは、いくつかの信頼を犠牲にしますが、より低いレイテンシーを得ることができます。ユーザーは取引をリレイヤーネットワークに公開するだけで済みます。具体的なレイテンシーは、特定のOptimistic MPCリレイヤーのメカニズムに依存します。挑戦期間は、より大きなレイテンシーを引き起こす可能性があります。ユーザーはリレーネットワークに最小限の信頼を持つ必要があります。この方法では、大量のオフチェーン計算はありませんが、リレーネットワーク内での通信と詐欺証明が必要です。

コミットメントの展開

コミットメントを得た後、ターゲットチェーンのユーザーはコミットメントを展開し、初期チェーンの過去の状態にアクセスできます。

3つの一般的な展開方法は以下の通りです：

チェーン上の蓄積
チェーン上の圧縮
チェーン外の圧縮

チェーン上の蓄積は、ブロックチェーンネットワーク内でコミットメントを展開する方法です。この方法では、コミットメントからブロックヘッダーを再作成する全プロセスが直接ブロックチェーン上で実行されます。正しくコーディングされたブロックヘッダーは、トランザクション内のCALL DATAとして、ブロックチェーンが計算を実行します。この方法の利点は、証明時間に追加のオーバーヘッドがないことです。また、レイテンシーも低く、証明をブロックチェーンの外で検証する必要がありません。しかし、欠点は、計算が多くのリソースを消費する可能性があるため、コストが高くなることです。

チェーン上の圧縮は、ブロックチェーン上に保存するデータ量を減らす方法です。これは、ブロックチェーン上に大量のデータを保存するコストを最小化するために使用されます。チェーン上の圧縮の背後にある考え方は、圧縮アルゴリズムを使用してデータのサイズを小さくし、それによってブロックチェーン上で占めるスペースを減少させることです。これは、データから冗長または不要な情報を削除するか、スペース効率を最適化したデータ構造を使用することで実現できます。圧縮されたデータはブロックチェーンに保存され、必要なときに解凍できます。

チェーン上の圧縮は、ストレージコストを削減し、ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させる利点があります。しかし、いくつかの欠点もあります。例えば、データの圧縮と解凍のプロセスは計算的に高価であり、ブロックチェーンのレイテンシーを増加させる可能性があります。さらに、使用される圧縮アルゴリズムはデータの安全性に悪影響を及ぼす可能性があり、改ざんや攻撃に対して脆弱である可能性があります。

チェーン外の圧縮は、チェーン上の圧縮に似ています。

以下はこれら3つの方法の対照表です：

アプリケーションシナリオ

ZKベースのクロスチェーンメッセージ中継プロトコルを利用することで、開発者はアプリケーションを異なるブロックチェーンに簡単に拡張できます。

過去には、契約のデプロイは主に1つのチェーンに集中していました。別のチェーンに拡張する際には、アプリケーションを再デプロイする必要がありました。ZKベースのクロスチェーンメッセージ中継プロトコルを使用することで、単一チェーンアプリケーションからクロスチェーンアプリケーションへのパラダイムシフトが実現されます。大規模なプロジェクトは異なるチェーンに簡単に拡張できます。これはグローバリゼーションに似た効果を生み出します。私たちは、より多くの国際企業や大規模なクロスチェーンDAppsを目にしたいと考えています。

低レイテンシー/リアルタイムで低コストのクロスチェーンメッセージ中継プロトコルは、多様な可能性を持つ市場を開きます。DeFi、DID、ガバナンス、開発はこれから恩恵を受けるでしょう。

DeFi

DeFiは多くの恩恵を受けることができます。クロスチェーンメッセージ中継プロトコルは、DeFi製品が異なるチェーンからの流動性を統合するのを助けることができます。

DEX、クロスチェーントレーディング、アグリゲーターは、より良いユーザー体験、低いスリッページ、より高い取引ペアの流動性を提供できます。異なるチェーン上の同じ取引ペアは、統一された流動性プールを持つことになります。異なるチェーンのDEX間の価格差は小さくなります。DEXは明らかにより多くの流動性を集め、CEXに匹敵するユーザー体験を提供できます。

ファーミングはより柔軟な戦略を持つことができます。彼らは現在、異なるチェーンでより多くの利益機会を探すことができます。

貸出プロトコルは、異なるチェーン上のより多くのDeFiプロトコルと協力し、異なるチェーン上の異なるトークンの預金を受け入れることができます。

オンチェーンデリバティブは流動性の面で大きな恩恵を受けるでしょう。安全なクロスチェーン通信を通じて、デリバティブ市場は異なるチェーン上のより多くの潜在顧客にアクセスでき、より多くの流動性を集めることができます。これにより、より良い取引体験が提供されます。

資金管理アプリケーションは、異なるチェーンからのより多くの資産にアクセスできます。彼らはまた、異なるチェーンからのデリバティブにもアクセスできます。これにより、ファイナンシャルマネージャーはより多くの投資戦略を使用できるようになります。

アプリケーションチェーン

アプリケーションチェーンまたはカスタムRollupは、DAppsにより多くの自由を提供します。DApp開発者は、パフォーマンスや特定の技術的特性など、自分のニーズに合わせてアプリケーションチェーンをカスタマイズできます。DApp開発者は、ユーザーを奨励するために手数料構造をカスタマイズすることもできます。Cosmosには多くのアプリケーションチェーンがあり、Cosmosはより良い相互運用性を持っています。ZKサポートのクロスチェーンプロトコルは、非CosmosアプリケーションチェーンとEVMまたはLayer2エコシステムを接続するためのより良いツールとなるでしょう。多くの開発中のRollup SDKは、ZKサポートのクロスチェーンプロトコルから恩恵を受けることができます。

Cosmosエコシステムは、アプリケーションチェーンにおいて他の主要なエコシステムをリードしています。Cosmosはクロスアプリケーションチェーンのセキュリティ共有において良好な進展を遂げています。ZKPはCosmosエコシステムの拡張を促進する可能性があります。Composable financeは、CosmosをPolkadotやNEARに拡張するために取り組んでいます。Electron LabsとzkBridgeは、Cosmosをイーサリアムに持ち込んでいます。

異なるチェーンの特性を活用する

完璧なブロックチェーンは存在しません。それぞれの目的のために他の機能を犠牲にして最適化されています。クロスチェーンメッセージングプロトコルを利用することで、開発者は各ブロックチェーンの利点を活用し、その欠点を回避できます。

DApp開発者は、異なるチェーンにDAppコンポーネントをデプロイできます。例えば、計算コストが低いため、特定のチェーンは計算に適しているかもしれません。一部のチェーンはプライバシーに最適化されており、DAppのプライバシー機能として機能します。あるチェーンはファイルをホスティングし、別のチェーンはフロントエンドを提供するのに適しています。クロスチェーンメッセージングプロトコルは、これらのコンポーネントを結びつけ、開発者が各ブロックチェーンを最大限に活用できるようにします。

まとめ

ZKPはクロスチェーン通信に新しい方法を提供します。従来のクロスチェーンブリッジの安全性の問題を完全に解決することはできませんが、ZKPの力を借りて、安全なクロスチェーンメッセージ通信は現在、コストが大幅に低下しました。証明のサイズは以前よりもはるかに小さくなっています。オンチェーン検証コストも大幅に削減されました。ターゲットチェーン上でソースチェーンの状態を検証できることで、IBCスタイルの共有セキュリティを実現できます。これは以前は低コストで実現することは不可能でした。

ZKクロスチェーン通信プロトコルは、異なるチェーン上のプロトコルが相互に通信する能力を与えます。開発者はZKクロスチェーンプロトコルに基づいて全チェーンDAppを開発できます。DeFi、アプリケーションチェーンはこれから恩恵を受けるでしょう。

クロスチェーン通信プロトコルはまだ始まったばかりです。開発者はこれらのプロトコルを開発するために努力しており、異なるチェーン間で状態をリアルタイムで同期する方法などの問題はまだ解決されていません。クロスチェーンDAppのデバッグも非常に困難な場合があります。開発者はクロスチェーンDAppを構築する最良の方法を探求しており、今後数年でクロスチェーンDAppの影響を目にすることになるでしょう。異なるブロックチェーンを接続するクロスチェーン通信プロトコルは、グローバリゼーションと同様に影響力を持つでしょう。

参考：

https://medium.com/@ingonyama/bridging-the-multichain-universe-with-zero-knowledge-proofs-6157464fbc86

https://www.youtube.com/watch?v=8mE_0qZNVjo

https://www.ingonyama.com/blogs/bridging-the-multichain-universe-with-zero-knowledge-proofs