Proof Networks: Verbindung von Coprozessoren zu Blockchains

Was ist ein Proof-Netzwerk?

Ein Proof-Netzwerk ist eine Off-Chain-Infrastrukturebene, die die Generierung, Verifizierung und Lieferung von Zero-Knowledge-Proofs über Blockchain-Anwendungen koordiniert. Es dient als verbindendes Gewebe zwischen ZK-Coprozessoren und der Blockchain-Ebene und stellt sicher, dass außerhalb der Kette erzeugte Nachweise effizient und in einer skalierbaren sowie dezentralen Weise on-chain validiert werden können.

ZK-Koprozessoren sind in der Lage, kryptografische Beweise für beliebige Berechnungen zu erzeugen. Diese Systeme benötigen jedoch eine Möglichkeit, die Beweise an die richtigen On-Chain-Umgebungen weiterzuleiten, Datenabhängigkeiten zu verwalten und sicherzustellen, dass die Beweise rechtzeitig und mit Integrität generiert werden. Beweisnetzwerke erfüllen diese Anforderungen, indem sie als dezentrale oder semi-dezentrale Schichten fungieren, die Prover, Verifier und verwandte Orchestrierungskomponenten verwalten.

Anstatt dass jeder Smart Contract, Rollup oder jede Anwendung ihre eigene isolierte Prover-Infrastruktur einrichtet, ermöglichen Proof-Netzwerke mehreren Entitäten, auf ein gemeinsames Ökosystem von Provern zuzugreifen. Dies reduziert die Duplizierung, senkt die Kosten und schafft ein modulareres und zusammensetzbares Ökosystem für Zero-Knowledge-Anwendungen.

Wie sie Coprozessoren und Smart Contracts verbinden

Die Rolle eines Proof-Netzwerks besteht darin, einen von einem ZK-Coprozessor generierten Proof zu nehmen und ihn in einem Format an einen On-Chain-Verifizierer zu liefern, das von Smart Contracts verarbeitet werden kann. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte, die oft vom Endbenutzer abstrahiert sind.

Zuerst reicht der Benutzer oder der Vertrag eine Anfrage an einen ZK-Koprozessor über ein Frontend oder eine API ein. Der Koprozessor führt die erforderliche Logik aus und generiert einen Nachweis. Anstatt den Nachweis direkt on-chain zu posten, wird er an einen Nachweisnetzwerkoordinator gesendet, der sicherstellt, dass der Nachweis gültig, mit der richtigen Berechnung verknüpft und nicht dupliziert ist.

Sobald validiert, veröffentlicht das Proof-Netzwerk entweder den Beweis selbst on-chain oder gibt ihn an den Benutzer oder Relayer zurück, der ihn dann in eine Transaktion einfügt. Der Smart Contract erhält den Beweis und überprüft ihn mit einem vorinstallierten Verifizierungsschlüssel. Wenn die Überprüfung erfolgreich ist, führt der Vertrag seine Logik basierend auf dem vertrauenswürdigen Ergebnis fort.

Diese Architektur macht die ZK-Infrastruktur skalierbar und komponierbar. Anstatt spezifische Schaltungen oder Beweissysteme in jeden Smart Contract einzuhardcodieren, können Entwickler auf ein Beweisnetzwerk zurückgreifen, das als Middleware-Schicht dient und die Off-Chain-Berechnungen mit den On-Chain-Zustandsübergängen verbindet.

Wichtige Teile: Prover, Verifier, Relayer, Koordinatoren

Ein typisches Proof-Netzwerk umfasst mehrere funktionale Rollen. Prover sind verantwortlich für die Generierung der kryptografischen Beweise. Sie führen die von der Anwendung definierte Berechnung aus und verwenden kryptografische Bibliotheken, um einen Beweis zu erstellen, dass die Berechnung korrekt durchgeführt wurde. Prover können spezialisierte Knoten, GPU-Arbeiter oder vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen sein, abhängig vom Design des Netzwerks.

Verifizierer sind on-chain Smart Contracts, die die Gültigkeit eingereichter Beweise überprüfen. Sie sind leichtgewichtig, deterministisch und sicher. Sobald ein Beweis die Überprüfung besteht, wird die zugehörige Berechnung von der Blockchain als gültig akzeptiert.

Relayer sind Off-Chain-Akteure, die die Kommunikation zwischen der Prover-Infrastruktur und der Blockchain übernehmen. Sie reichen die Nachweise beim entsprechenden Vertrag ein, fügen notwendige Metadaten hinzu und gewährleisten eine pünktliche Lieferung. In einigen Netzwerken sind Relayer optional; in anderen sind sie incentivierte Teilnehmer.

Koordinatoren verwalten die Zuordnung von Anfragen zu Anbietern. Sie erhalten Benutzeranfragen oder Berechnungsanfragen und weisen sie verfügbaren Anbietern zu. Koordinatoren können auch Ergebnisse aggregieren, identische Berechnungen deduplizieren und Verfügbarkeitsgarantien bieten. In dezentralen Netzwerken kann diese Koordinationsschicht durch Staking- und Slashing-Mechanismen implementiert werden, um die Integrität sicherzustellen.

Die Trennung dieser Rollen ermöglicht eine flexible Architektur. Ein einzelner Akteur kann in kleineren Netzwerken mehrere Rollen übernehmen, oder die Rollen können in einem größeren System auf viele Teilnehmer verteilt werden. Diese Modularität ist der Schlüssel zur Skalierung von Nachweissystemen über verschiedene Blockchains und Anwendungsfälle.

Reale Beispiele: Succinct, ZeroGravity, Lagrange

Mehrere Projekte bauen Proof-Netzwerke in Produktionsumgebungen auf. Succincts Prover Network ermöglicht Entwicklern, ZK-Proofs nach Bedarf zu generieren und sie an jede EVM-kompatible Kette zu übertragen. Es unterstützt dezentrales Proving und zielt darauf ab, jede On-Chain-Anwendung mit Succinct-Proofs verifizierbar zu machen. Succinct hat auch seine Infrastruktur auf World Chain, einem Rollup-Experiment von Tools for Humanity, getestet.

ZeroGravity baut eine vollständig dezentrale Nachweis-Schicht auf, die mehrere Nachweis-Backends unterstützt. Es konzentriert sich auf Interoperabilität und zielt darauf ab, ZK-Koprozessoren mit Ethereum, Rollups und modularen Blockchains wie Celestia zu verbinden. Durch die Abstraktion des Nachweis-Generierungs- und Verifikationsstacks ermöglicht es Anwendungen, sich in eine einheitliche ZK-Schicht einzuklinken.

Das Lagrange-Netzwerk spezialisiert sich auf überprüfbare Datenverfügbarkeit und Zustandabfragen. Es ermöglicht Anwendungen, belegte Antworten auf Cross-Chain-Abfragen anzufordern, wie z.B. die Überprüfung von Token-Bilanzen oder NFT-Eigentum auf anderen Chains. Lagrange verwendet einen modularen Ansatz, der es Entwicklern ermöglicht, Nachweissysteme und Datenquellen entsprechend den Bedürfnissen ihrer Anwendung auszuwählen.

Jedes dieser Netzwerke befasst sich mit einer anderen Schicht des Problems. Einige konzentrieren sich auf die Berechnung, andere auf den Datenzugang und wieder andere auf die Infrastruktur auf Protokollebene. Gemeinsam formen sie ein Ökosystem, in dem Zero-Knowledge-Berechnung zu einer standardisierten, wiederverwendbaren Schicht im Blockchain-Design werden kann.

Native vs. Modular Verifizierung

Es gibt zwei Hauptmodelle, wie Proof-Netzwerke mit Blockchains interagieren: native Verifizierung und modulare Verifizierung.

Native-Verifizierung bedeutet, dass die Blockchain selbst, oft auf Protokollebene, die Verifizierung von Zero-Knowledge-Proofs unterstützt. Dies ist bei Ethereum der Fall, das vorkompilierte Verträge zur Verifizierung von Groth16- und PLONK-Proofs enthält. Die native Unterstützung gewährleistet eine schnellere Verifizierung und niedrigere Gaskosten, erfordert jedoch eine Standardisierung und schränkt die Arten von Proofs ein, die verwendet werden können.

Modulare Verifizierung verfolgt einen anderen Ansatz. Sie behandelt Nachweisnetzwerke als externe Dienste, die sich mit jeder Kette über Verträge oder Brücken verbinden können. Der On-Chain-Verifikationsvertrag könnte von der Anwendung selbst bereitgestellt werden, und das Nachweisformat wird Off-Chain definiert. Dieses Modell ist flexibler und ermöglicht es Entwicklern, neue Nachweissysteme und benutzerdefinierte Logik zu verwenden. Es bringt jedoch höhere Kosten und Komplexität mit sich.

Die Wahl zwischen nativer und modularer Verifikation hängt von den Bedürfnissen der Anwendung ab. Native Verifikation eignet sich für Anwendungen mit hohem Volumen und vorhersehbaren Proof-Formaten. Modulare Verifikation ist besser für Forschung, benutzerdefinierte Logik oder sich schnell entwickelnde Systeme. Proof-Netzwerke werden zunehmend so gestaltet, dass sie beide Modelle unterstützen, indem sie Fallback-Pfade und Kompatibilitätsschichten bereitstellen.

Da sich die ZK-Technologie weiterentwickelt, entstehen Proof-Netzwerke als die Schlüssel-Infrastruktur für skalierbare, vertrauenslose Berechnungen. Sie ermöglichen Entwicklern, leistungsstarke Off-Chain-Systeme zu erstellen und diese sicher mit Blockchain-Umgebungen zu verbinden. Damit verwandeln sie Zero-Knowledge-Proofs von einem kryptografischen Konzept in einen produktionsbereiten Technologiestack.