Posted on Sep 23, 2023

Pontes ZK: Capacitando o Mundo de Cadeias Cruzadas com Provas de Conhecimento Zero

No cenário em rápida evolução da tecnologia blockchain, vários protocolos foram propostos e implementados, cada um utilizando abordagens diferentes para o consenso - desde os baseados em computação, como Prova de Trabalho (Proof-of-Work), até os baseados em incentivos, como a Prova de Participação (Proof-of-Stake), entre outros. Com protocolos que diferem em termos de consenso, segurança, linguagem de programação e vários outros aspectos, a liquidez e os ativos têm se tornado lentamente mais fragmentados em diferentes cadeias desde os primórdios da blockchain. As pontes entre cadeias (cross-chain) são a solução para reduzir a fragmentação e agregar liquidez em várias blockchains. Um desses protocolos de ponte entre cadeias é o Wormhole, que facilita a movimentação de criptomoedas e NFTs entre várias blockchains de contrato inteligente, como a Solana e a Ethereum.

O Problema com as Pontes Atuais

As pontes entre cadeias são complicadas. Um grande desafio é garantir a segurança da ponte, proteger os ativos armazenados nos contratos inteligentes ou no depositário centralizado. Historicamente, as pontes têm sido um alvo atraente para os hackers devido ao armazenamento central de fundos que respaldam os ativos da ponte. Os designs das pontes, em constante evolução, também possibilitam que os invasores encontrem novas brechas e bugs a serem explorados. A Wormhole foi hackeada em US$ 325 milhões em 2022, depois que uma correção de segurança foi carregada no Github, mas não antes que o hacker conseguisse fugir com os fundos. A Chainalysis relatou que os ataques de ponte entre cadeias foram responsáveis por 69% do total de fundos roubados em 2022.

Imagem por Chainalysis

Imagem por DEFIYIELD

Outro desafio é o baixo desempenho e a dependência de entidades centrais. As atuais pontes entre cadeias enfrentam problemas de escalabilidade. Para atualizar e reconciliar o estado de duas cadeias, as pontes exigem grande capacidade de computação e armazenamento, o que resulta em uma sobrecarga significativa. Para aliviar essa carga, várias pontes mudaram para uma abordagem baseada em comitês, em que um grupo limitado de validadores (ou mesmo apenas detentores de multisig - múltiplas assinaturas) aprovam transferências de estado. Infelizmente, essa abordagem os expõe a vulnerabilidades e possíveis ataques.

Essas preocupações levaram os desenvolvedores a buscar soluções alternativas, principalmente aquelas que impulsionam a criptografia de conhecimento zero. Entre essas abordagens, a utilização de zk-SNARKs elimina a necessidade de um modelo de comitê e, ao mesmo tempo, garante a escalabilidade da rede.

Pontes de Cadeias Cruzadas Alimentadas por zk-SNARKs

Atualmente, há vários projetos desenvolvendo soluções de ponte zk em vários ecossistemas e estágios de desenvolvimento:

Essas iniciativas aproveitam os recursos do zk-SNARKS para revolucionar o projeto de pontes. No entanto, para a implementação bem-sucedida de todas essas abordagens, um requisito fundamental é um protocolo de cliente leve — um software que se conecta a nós completos e facilita a interação com a blockchain. Esse protocolo garante que os nós possam sincronizar com eficiência os cabeçalhos de bloco de um estado de blockchain confirmado.

Ao incorporar os conceitos de ZK-rollup em pontes, surgiram dois desafios principais. Em primeiro lugar, as pontes exigem circuitos de tamanhos significativamente maiores em comparação com os rollups. Em segundo lugar, há uma necessidade fundamental de lidar efetivamente com a preocupação de minimizar o armazenamento on-chain e a sobrecarga computacional.

Succinct Labs

A Succinct Labs desenvolveu o cliente leve para o consenso PoS (Proof-of-Stake ou prova de participação) da Ethereum 2.0, criando uma ponte de confiança minimizada entre a Gnosis e a Ethereum. Essa ponte utiliza a eficiência do zk-SNARKS para verificar as provas de validade do consenso on-chain de forma sucinta.

A configuração envolve um comitê de sincronização composto por 512 validadores na Ethereum, selecionados aleatoriamente a cada 27 horas. Esses validadores são responsáveis por assinar cada cabeçalho de bloco durante o período designado. Se mais de 2/3 dos validadores assinarem cada cabeçalho de bloco, o estado da Ethereum será considerado válido. O processo de validação envolve principalmente a verificação de:

Prova de Merkle dos cabeçalhos.
Prova de Merkle dos validadores no comitê de sincronização.
Assinaturas BLS para garantir a rotatividade correta do comitê de sincronização.

Esse processo incorre em custos computacionais significativos, pois o conceito fundamental envolve o cliente leve utilizando zk-SNARK (Groth16) para criar uma prova de tamanho constante (prova de validade) que pode ser verificada com eficiência na cadeia Gnosis. A prova é gerada por meio de computação off-chain, o que implica a construção de circuitos para confirmar os validadores e suas assinaturas, seguida pela geração da prova zk-SNARK. Posteriormente, a prova e os cabeçalhos de bloco são enviados a um contrato inteligente na cadeia Gnosis para verificação.

O emprego de zk-SNARKs ajuda a reduzir a sobrecarga de armazenamento e a complexidade do circuito, resultando em pressupostos de confiança reduzidos. No entanto, essa abordagem é adaptada especificamente para o protocolo de consenso Ethereum 2.0 e a EVM, o que pode exigir maior adaptabilidade para ser aplicável em outras redes de blockchain.

Em julho de 2023, a Succinct Labs fez um anúncio importante, confirmando a integração oficial de seu cliente leve Ethereum ZK para aumentar a segurança do Gnosis Omnibridge na Mainnet. (rede principal) Essa integração coloca a Succinct Labs no comando da proteção do Gnosis Omnibridge, que atualmente ostenta um Valor Total Bloqueado (TVL) superior a US$ 40 milhões e facilitou fluxos de ativos stablecoin de mais de US$ 1,5 bilhão até o momento.

zkIBC pela Electron Labs

A Electron Labs se esforça para construir uma ponte originada do ecossistema Cosmos SDK, que serve como um framework para blockchains específicas de aplicativos. Essa ponte utilizará o IBC (Inter-Blockchain Communication) para permitir uma comunicação integrada entre todas as blockchains independentes definidas dentro do framework.

Ainda assim, a implementação de um cliente leve do Cosmos SDK na Ethereum é repleta de dificuldades. O SDK Cosmos utiliza o cliente leve Tendermint, que opera na curva torcida de Edwards (Ed25519) - uma curva não suportada nativamente na blockchain Ethereum. Portanto, a verificação das assinaturas Ed25519 na curva BN254 da Ethereum é cara e ineficiente. Para superar esse obstáculo, a Electron Labs pretende criar uma solução baseada no zk-SNARK. Esse sistema gerará uma prova de validade de assinatura off-chain e só realizará a verificação da prova na cadeia Ethereum, resolvendo o problema de forma eficaz.

Ao adotar essa abordagem, torna-se possível verificar as assinaturas Ed25519 do SDK Cosmos na blockchain Ethereum de maneira eficiente e econômica, evitando a introdução de qualquer pressuposto de confiança adicional. No entanto, uma possível preocupação com esse método é a latência. A taxa de produção de blocos no SDK Cosmos é de 7 segundos e, para acompanhar essa taxa, o tempo do provador deve ser drasticamente reduzido. Para enfrentar esse desafio, a Electron Labs pretende resolvê-lo utilizando várias máquinas para gerar as provas simultaneamente e depois consolidá-las em uma única prova zk-SNARK.

zkBridge pela Rede Polyhedra

Em contraste com as outras duas construções de ponte baseadas em ZK lideradas pelo setor, zkBridge se destaca como um framework versátil que facilita o desenvolvimento de vários aplicativos em sua plataforma. Ela utiliza efetivamente zk-SNARKs para estabelecer um processo de comunicação eficiente, permitindo que um provador demonstre de forma convincente à cadeia receptora que uma transição de estado específica ocorreu na cadeia do remetente. O framework do zkBridge é composto por dois componentes principais:

Rede de Retransmissão de Cabeçalho de Bloco: Esse componente obtém cabeçalhos de bloco da cadeia do remetente, gera provas para autenticar os cabeçalhos e, em seguida, transmite os cabeçalhos e as provas para o contrato do atualizador na cadeia do receptor.
Contrato Atualizador: Essa parte mantém um estado de cliente leve e incorpora automaticamente os cabeçalhos de bloco da cadeia do remetente uma vez que as respectivas provas são verificadas. Além disso, mantém atualizado o status atual da cadeia principal da cadeia do remetente.

Imagem por Rede Polyhedra

A principal diferença entre o zkBridge e outras abordagens do setor está no fato de que o zkBridge exige apenas a presença de um nó honesto na rede de retransmissão e pressupõe a integridade do zk-SNARK.

Um avanço fundamental nessa construção está no uso em paralelo do zk-SNARK: do provador Virgo (deVirgo), que introduz um novo sistema de prova distribuída para agilizar o processo de geração de provas, e das provas recursivas, para reduzir o custo de verificação de provas on-chain. O deVirgo se baseia no protocolo GKR e em um esquema de compromisso polinomial para gerar provas para um circuito que valida várias assinaturas. Posteriormente, a prova deVirgo passa por compressão usando o provador Groth16 e é verificada pelo contrato do atualizador na blockchain de destino. A combinação desses sistemas de prova permite a comunicação eficiente entre cadeias no zkBridge sem depender de pressupostos de confiança externos.

A Mainnet Alpha do zkBridge foi lançada em abril de 2023 e agora está facilitando a interoperabilidade entre cadeias em várias redes blockchain de camada 1 e camada 2, como a BNB Chain, a Ethereum e a Arbitrum. Durante o zkDAY na ETHCC Paris em 2023, Tiancheng Xie, CTO da Rede Polyhedra, destacou que seu protocolo atraiu mais de 50.000 usuários ativos diários e 800.000 usuários ativos mensais desde o lançamento de sua mainnet.

Com sua arquitetura modular, o zkBridge abre uma ampla gama de possibilidades para desenvolvedores e usuários. Essas possibilidades incluem ponte e troca de tokens, envio de mensagens e lógica computacional que se adapta às mudanças de estado em diferentes redes de blockchain.

Conclusão

Em resumo, a incorporação de ZKPs em projetos de pontes aborda de forma eficaz questões relacionadas à descentralização e à segurança. No entanto, ela cria um gargalo computacional devido ao maior tamanho dos circuitos envolvidos. Como a demanda por interoperabilidade continua a crescer, provavelmente haverá mais esforços no desenvolvimento de tecnologias de ponte seguras e escaláveis. Espera-se que esses avanços tenham um impacto positivo no progresso geral e na adoção da tecnologia ZK. Consequentemente, podemos prever avanços significativos na pesquisa, implementações inovadoras e maior adoção de aplicativos entre cadeias no futuro próximo.