ABCDE Capital：Polyhedra Network はどのようにして Ethereum フルノード ZK プルーフを実現するのか？

作者： ABCDE Capital

概要：

Ethereum PoS のフルノードを証明することは、zkBridge の構築や Ethereum 上のあらゆる相互運用プロトコルにとって重要です。同期委員会はこれらの目的には十分な安全性を提供しません。なぜなら、同期委員会の暗号経済的安全性（現在約 3200 万ドルの ETH がステーキングされています）は理想的ではないからです。Ethereum 上の同期委員会に依存するクロスチェーンインフラストラクチャ、オラクル、データ処理サービスはすべて安全ではありません。

Polyhedra Network は zk Bridge システムを設計・実装し、Ethereum PoS のフルノードを証明します（現在、ステーキングされている ETH の総価値は約 400 億ドルです）。Polyhedra Network の LayerZero 上のすべての Ethereum およびそのロールアップ（例えば Arbitrum、Linea、Optimism、zk Sync、Mantle など）の zk クライアントは、Ethereum フルノードの ZK 証明に基づいています。Polyhedra Network は、その効率的な証明システム deVirgo を採用しており、このシステムは 10 秒以内に Ethereum フルノードの証明を生成するのに十分な効率を持ち、証明速度は Ethereum ブロックの生成速度に追いつくことができます。

Ethereum フルノードのゼロ知識証明の実装により、Ethereum およびそのロールアップは完全に信頼不要で効率的かつ安全な相互運用性を実現できます。Polyhedra Network のシステムは、任意の L1 および L2（例えば BNB Smart Chain や op BNB）および任意のアプリケーションが現在および過去のすべての Ethereum データを転送できることを可能にします。これにより、スマートコントラクトは信頼なしに Ethereum データにアクセスしてさまざまな計算ロジックを実行でき、その安全性は Ethereum PoS フルノードによって保証されます。

Ethereum PoS のフルノードを証明することは安全性にとって重要です

Ethereum ライトクライアントと比較して、Ethereum フルノードの証明はより高い安全保証を持っています。Ethereum ライトクライアントの安全性は、"同期委員会"と呼ばれるシステムに完全に依存しています。しかし、同期委員会の規模は 512 人のメンバーしかおらず、約 27.3 時間ごとに一度ローテーションします。総ステーキング資産は 16,384 ETH（512 * 32）しかなく、Ethereum エコシステムと他のネットワークを接続するクロスチェーンブリッジの毎日の取引量（3 億ドル以上）と比較すると、この数字は非常に小さいです（現在、ステーキングされている ETH は 3200 万ドルのみです）。

もう一つの問題は、同期委員会が常にブロックに署名するわけではないことです（例えば、ブロック 17239413 とブロック 17239414）。統計によると、1.6% のブロックは同期委員会の大多数のメンバーによって署名されておらず、この問題は平均して 12 分ごとに発生する可能性があります。

Ethereum フルノードの証明システムの概要

これらの問題を解決するために、Polyhedra Network は同期委員会の使用を放棄し、Ethereum merge 以来の Ethereum ブロックチェーンの完全な PoS コンセンサスを利用することを決定しました。これにより、Ethereum メインネットの各ブロックに含まれる 20,000 以上の署名を証明します（512 の同期委員会から 40 倍の増加）。

40 倍の作業量の増加に対応するために、Polyhedra Network は独自の証明システムである deVirgo を採用しました。この証明システムは、理論的な改善と顕著なエンジニアリングの進歩により、比類のない処理能力を持っています。deVirgo プロトコルは、非常に大きな FFT または MSM の必要性を理論的に排除し、証明生成時間を署名数に対して線形関係にします。このプロトコルは zkBridge に展開されており、並列および分散計算をサポートしています。

10 億規模の回路で行われた証明システムの実験は、証明生成時間が 10 秒未満であり、Ethereum ブロック生成速度（約 12 秒）に追いつくことができ、証明のサイズや検証時間を増加させることはありません。

効率的な証明システムを使用して Ethereum フルノードを証明する

Ethereum フルノードを迅速に証明するために、Polyhedra Network はその効率的な証明システム deVirgo を使用しています。deVirgo は、計算を複数のマシンに分散させて GKR プロトコルを並列化することを目的とした Virgo プロトコルの分散バージョンです。deVirgo を使用することで、zkBridge は外部の信頼仮定に依存することなく、異なるブロックチェーン間の迅速かつ柔軟な相互運用性をサポートできます。zkBridge は、deVirgo によって生成された以前の証明を証明するために再帰的証明を使用し、対応するブロックヘッダーを再帰的に証明します。再帰的証明により、オンチェーン検証コストは、任意の EVM 互換のブロックチェーンネットワーク上で約 220K の燃料に削減されます。

deVirgo の重要なブレークスルーは、Ethereum フルノードのコンセンサスがデータ並列回路の性質として表現できることを確認したことです。データ並列算術回路と N 台のマシンがあると仮定すると、deVirgo 証明システムはデータ並列回路を N 個のサブ回路に分割し、各マシンが 1 つのサブ回路のみを計算します。Ethereum フルコンセンサスの検証は、そのようなデータ並列回路であり、30,000 以上の同じ署名検証アルゴリズムとハッシュを含んでいます。

deVirgo の核心は、分散 sumcheck の技術です。deVirgo では、sumcheck プロトコルは 2 つの段階に分かれています。第一段階では、各マシンが自分のサブ回路を処理し、共同で集約証明を生成します。残りの作業は、1 台のマシンにとって十分に小さくなります。この時点で、そのマシンは第二段階を実行し、分散 sumcheck を完了できます。

Ethereum フルノード ZK 証明の性能評価

BLS 署名の集約に関する実装を評価するために、Polyhedra Network は 2 台の AMD EPYC ™ 7763 CPU を使用して deVirgo 証明と再帰的検証の実行時間を測定しました。結果は以下の通りです：

Polyhedra Network はすでに zkBridge に Ethereum フルノード証明システムを展開しています。zkBridge は Ethereum を送信チェーンとして設定し、BNB Chain や Avalanche などの他のネットワークを受信チェーンとして設定します。すべてのコンポーネントの遅延を含む結果は、zkBridge が 12 秒以内に Ethereum フルノードの証明を生成し、BNB チェーンおよび他のネットワークでブロックヘッダーを検証できることを示しています。

Polyhedra Network はその実装を引き続き最適化していきます。前期コストを削減し、より良い分散化を実現するために、近い将来に GPU 加速を計画しています。しかし、現在の zkBridge 証明システムは、Ethereum のブロック生成時間に追いつくのに十分な効率を持っています。

まとめ

Ethereum フルノードの証明を実現することで、Polyhedra Network は zk Bridge を使用して完全に信頼不要で効率的かつ安全な相互運用性を実現し、Ethereum エコシステム（L1 および L2 を含む）と他のネットワークを接続します。さらに、Polyhedra Network の LayerZero 上のすべての Ethereum およびそのロールアップ（例えば Arbitrum、Linea、Optimism、zk Sync、Mantle）の zk クライアントは、Ethereum フルノードの ZK 証明を装備します。これにより、Ethereum フルノードのステーキング安全性（約 400 億ドル）が LayerZero 上の zk クライアントに持ち込まれます。

Ethereum フルノード証明システムは、現在および過去の Ethereum データ（ブロックヘッダーや取引データを含む）が任意のネットワークやアプリケーションによってアクセス可能であることを許可します。これにより、任意のブロックチェーン上のスマートコントラクトは信頼なしに Ethereum データにアクセスし、さまざまな計算ロジックを処理できるようになります。すべての安全性は、Ethereum PoS フルノードの ZK 証明によって保証されます。