Zero-Knowledge 101: Von Beweisen zu Co-Prozessoren

Was ist ein Zero-Knowledge-Proof?

Ein Zero-Knowledge-Beweis (ZKP) ist ein kryptografisches Verfahren, das es einer Partei, dem Prover, ermöglicht, eine andere Partei, den Verifier, davon zu überzeugen, dass eine Aussage wahr ist, ohne Informationen über die Wahrheit der Aussage selbst preiszugeben. Technisch gesehen erfüllt ein ZKP drei grundlegende Eigenschaften: Vollständigkeit, Gültigkeit und Zero-Knowledge. Vollständigkeit stellt sicher, dass ehrliche Prover den Verifier immer überzeugen können, wenn die Aussage wahr ist. Gültigkeit garantiert, dass unehrliche Prover den Verifier nicht dazu bringen können, eine falsche Aussage zu akzeptieren. Zero-Knowledge bedeutet, dass der Verifier nichts über die Gültigkeit der Behauptung hinaus erfährt.

Dieses Konzept ist nicht nur theoretisch. Zero-Knowledge-Proofs werden bereits in modernen kryptografischen Systemen verwendet, um Identitäten zu verifizieren, Transaktionen zu validieren und Richtlinien durchzusetzen, ohne private Daten preiszugeben. Sie sind besonders gut für Blockchain-Anwendungen geeignet, wo Privatsphäre und Dezentralisierung entscheidend sind.

Warum Blockchains ZK (Privatsphäre + Skalierbarkeit) benötigen

Öffentliche Blockchains wie Ethereum und Bitcoin funktionieren nach dem Prinzip der vollständigen Transparenz. Jeder Knoten im Netzwerk muss jede Transaktion erneut ausführen, um sie zu validieren. Während dieses Modell Sicherheit und Konsens gewährleistet, geht es auf Kosten der Skalierbarkeit und der Privatsphäre. Zero-Knowledge-Proofs adressieren beide dieser Einschränkungen.

Zum Schutz der Privatsphäre ermöglichen ZKPs den Nutzern, etwas zu beweisen – zum Beispiel, dass eine Transaktion gültig ist – ohne die Inhalte der Transaktion offenzulegen. Dies ermöglicht vertrauliche Transaktionen und private Smart Contract-Logik, während die öffentliche Überprüfbarkeit gewahrt bleibt. Zur Skalierbarkeit komprimieren ZKPs die Berechnung in einen prägnanten Beweis. Dieser Beweis kann schnell on-chain verifiziert werden, selbst wenn die ursprüngliche Berechnung teuer und zeitaufwändig war. Anstatt die gesamte Logik auf jedem Knoten auszuführen, muss nur der Beweis überprüft werden. Dies reduziert die Gaskosten drastisch und verbessert den Durchsatz.

Zero-Knowledge-Technologie ermöglicht es, Blockchains zu skalieren, ohne das Vertrauen zu opfern, und private Anwendungen zu erstellen, ohne zentrale Vermittler einzuführen. Da Blockchains komplexer werden und für den Mainstream-Einsatz übernommen werden, werden diese Fähigkeiten unerlässlich.

Von Smart Contracts bis zu Off-Chain-Berechnungen

Smart Contracts haben Blockchains in programmierbare Plattformen verwandelt. Sie ermöglichen Entwicklern, dezentrale Anwendungen zu erstellen, die automatisch Logik basierend auf vordefinierten Regeln ausführen. Allerdings sind Smart Contracts durch die rechnerischen Grenzen der Blockchain selbst eingeschränkt. Sie müssen On-Chain ausgeführt werden, wo jede Operation teuer und öffentlich ist.

Mit der zunehmenden Komplexität dezentraler Anwendungen werden diese Einschränkungen problematischer. Große Berechnungen durchzuführen oder auf riesige Datensätze on-chain zuzugreifen, ist unpraktisch. Gleichzeitig verlangen die Benutzer zunehmend nach Privatsphäre, die standardmäßige Smart Contracts nicht bieten können.

Um dies anzugehen, haben Entwickler begonnen, Berechnungen außerhalb der Blockchain durchzuführen, während sie das Vertrauen durch kryptografische Beweise aufrechterhalten. Hier kommen Zero-Knowledge-Proofs ins Spiel. Anstatt die gesamte Logik on-chain auszuführen, wird die umfangreiche Berechnung off-chain durchgeführt, und nur ein prägnanter Beweis des Ergebnisses wird der Blockchain übermittelt. Dies hält die Blockchain sicher und überprüfbar, während es die Leistung und Vertraulichkeit dramatisch verbessert.

Dieser Übergang von On-Chain-Logik zu Off-Chain-Überprüfung markiert einen bedeutenden Wandel in der Blockchain-Architektur. Er ermöglicht es Anwendungen, über die Grenzen der Ethereum Virtual Machine hinaus zu skalieren und unterstützt neue Anwendungsfälle, die andernfalls unmöglich wären.

Einführung des ZK Coprozessors: eine neue modulare Schicht

Der Zero-Knowledge-Coprocessor ist ein spezialisiertes Off-Chain-System, das Berechnungen durchführt und kryptografische Nachweise für deren Richtigkeit erzeugt. Im Gegensatz zu Smart Contracts, die direkt auf der Blockchain ausgeführt werden, arbeitet ein ZK-Coprocessor extern. Er verarbeitet Eingaben, führt eine Berechnung mit einer zkVM oder einem benutzerdefinierten Schaltkreis durch und erzeugt einen Zero-Knowledge-Nachweis. Dieser Nachweis kann dann on-chain eingereicht werden, um zu beweisen, dass die Berechnung korrekt ausgeführt wurde.

Die Idee eines Coprozessors stammt aus der Computerhardware. In traditionellen Systemen ist ein Coprozessor ein separater Prozessor, der verwendet wird, um spezifische Aufgaben wie Grafik oder Gleitkomma-Arithmetik zu übernehmen. Ähnlich entlastet ein ZK-Coprozessor komplexe Logik von der Blockchain, wodurch die Hauptkette sich auf die Verifizierung anstatt auf die Ausführung konzentrieren kann.

ZK-Koprozessoren führen eine modulare Ausführungsumgebung ein. Entwickler können Logik in spezialisierten Off-Chain-Runtimes aufbauen, dort große oder private Berechnungen durchführen und dann das verifizierte Ergebnis in jede Blockchain zurückcommitten. Diese Modularität ermöglicht Komposabilität über Ketten hinweg, verbessert die Leistung und unterstützt flexiblere Anwendungsdesigns.

Wie es in den Blockchain-Stack passt

In der modernen Blockchain-Architektur nehmen ZK-Koprozessoren eine Mittelschicht zwischen On-Chain-Smart Contracts und externen Daten- oder Berechnungsquellen ein. An der Basis steht die Blockchain selbst, die den Zustand aufzeichnet, Regeln durchsetzt und Beweise verifiziert. Darüber befinden sich Smart Contracts, die die öffentlich zugängliche Logik der Anwendung definieren und Eingaben von Benutzern oder anderen Verträgen akzeptieren.

ZK-Koprozessoren arbeiten neben oder unter diesen Smart Contracts. Sie erhalten Eingaben – oft in Form von Calldata oder signierten Nachrichten – vom Benutzer oder Vertrag, führen die Logik off-chain aus und erzeugen einen Zero-Knowledge-Beweis. Der Beweis wird an den Smart Contract zurückgesendet, der ihn mit einem Verifier-Schlüssel überprüft. Wenn er gültig ist, aktualisiert der Vertrag seinen Zustand oder löst eine Antwort aus.

Diese Architektur ist zunehmend modular. Ein Co-Prozessor kann mehrere Verträge oder Anwendungen bedienen. Ebenso kann ein Vertrag mit mehreren Co-Prozessoren zusammenarbeiten. Das System ist auch über Ketten hinweg erweiterbar. Ein ZK-Co-Prozessor kann einen Nachweis für Daten auf einer Kette berechnen und ihn an eine andere übermitteln, was die Interoperabilität zwischen Ketten mit starken Garantien ermöglicht.