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Electron Labs新提案:将IBC整合到以太坊

2022-09-14 16:46
阅读本文需 13 分钟
这个方案如果实现了可能就没有其他跨链桥什么事了

原文标题:《Bringing IBC to Ethereum using ZK-Snarks》
原文作者:Garvit Goel、Jinank Jain,Electron Labs
原文编译:红军大叔,IBCL


这是一篇关于如何将 IBC 带到以太坊的文章。本文的目的是概述该项目的技术细节并获得以太坊社区的支持。让我们深入了解它。


IBC 代表 Inter Blockchain Communication - Cosmos 生态系统中的跨链标准。


问题背景


IBC 遵循轻客户端原则,需要将源区块链和目标区块链的轻客户端实现为智能合约,以验证跨链交易。


这意味着,为了将 IBC 连接到 Eth,我们需要在以太坊上以智能合约方式运行 Tendermint 轻客户端 (run the Tendermint light client on Ethereum as a solidity smart contract)。


但是这个过程 gas 消耗昂贵,因为这需要在 Solidity 中验证数百个 ed25519 签名,而 ed25519 预编译在以太坊上不可用。一个 ed25519 需要 500K gas。


这意味着验证完整的轻客户端 header 将需要至少 5000 万 gas 费(100 个验证者),对于拥有 1000 个验证者的更大的 cosmos 链,则高达 5 亿 gas。


因此,为了在以太坊上更便宜地验证签名,我们需要新的方法。


解决方案


我们通过从 zk-rollups 获得灵感来实现这一目标。我们没有直接在以太坊上验证 ed25519 的签名,(并在 solidity 智能合约内执行曲线操作),而是构建了一个签名有效性的 zk 证明,并在链上验证该证明。


在 Electron Labs,我们构建了一个基于 circom 的库,允许你为一批 Ed25519 签名生成 zk-snark 证明。在这里查看完整的实现 。


如何参与体验?


我们已经部署了一个服务器,其端点允许你提交一批签名并获得 zk-proof 作为回报。你现在可以使用我们的文档中给出的 API 参考进行测试。


数学实现细节


为 ed25519 创建 ZK 证明 是一个难题。


这是因为 ed25519 的 twisted Edwards curve 使用的 finite field 比 altbn128 曲线(由 zk-snarks 使用)使用的 finite field 大。在较小的 field 内执行大型 finite field 运算很困难,因为模数和乘法等一些基本运算可能变得非常低效


为了解决这个问题,我们能够找到 2^85 作为基数,来定义我们的 twisted Edwards curve 的曲线运算。由于 ed25519 素数 p=2^255-19 是 2^85 的近似倍数,我们能够为基数 2^85 的数字想出有效的基本运算,如乘法和模法(在 25519 素数下)。


接下来,我们使用这些自定义操作在 ZK 电路中定义曲线操作,例如点加法、标量乘法和签名验证。


在这个文档中很难公正地解释这背后的数学细节,请参阅我们的详细文档解释 。


单一签名证明的性能


由于上述优化,我们能够为单个签名实现的性能数据如下:


所有指标都是在一台 16 核 3.0GHz、32G 内存的机器上测量的(AWS c5a.4xlarge 实例)


Batch Prover 的性能


要了解系统级别的性能,我们需要查看 3 个参数 -


· 每个签名的证明生成时间 ~ 9.6 秒(平均)


· 每批/证明的签名数 = 100(最大值)


· 为批次生成 zk-proof 的时间 = 16 分钟(基于 100 个签名批次)


证明生成时间(几乎)与每批签名的数量呈线性关系。我们可以增加/减少每批签名的数量,并且证明生成时间会相应改变。



证明制作时间将以延迟的形式显现。为了减少这种情况,我们可以在一个 zk 证明中放入较少数量的签名。但是,这意味着同样的批次大小(或每个轻客户端 header)将需要更多的证明,这将增加验证该批次的 gas 成本


因此,减少延迟会增加 gas 成本。


下面我们列出了根据延迟和参与该 cosmos 链的验证者数量来验证以太坊上的 Tendermint 轻客户端 (LC) header 的预期成本。


我们可以让用户/cosmos 链决定他们想要使用的延迟和 gas 费用的选项。


基于 2022 年 8 月 5 日的 gas 价格


这里我们选择 200 个验证人和 50 个签名作为证明的基础分析。


Relayer 基础设施成本


由于 Tendermint 出块速度是~7 秒,而证明的生成时间是 8 分钟,我们将需要多个验证人并行来跟上区块的生产速度。


所需的并行机器数 = 8 分钟 *60 / 7 秒 = 69 台机器


我们建议使用 m5.8xlarge AWS 云实例来生成证明。


因此,此基础设施的成本 = 1.536 美元*69 = 106 美元/小时


每个轻客户端 Header 的机器成本 = 106/3600/7 = 0.206 美元


预估总交易成本


基于 8 分钟延迟和 200 个验证器的假设。


链上轻客户端验证的总成本 = 0.206 = 18.1 美元


让我们假设一个最坏的情况(从交易费用的角度来看),即一个区块中只有一个跨链交易。然后验证 LC 标头的全部费用由该交易承担。加上一些间接成本,验证跨链交易大约是 20 美元。


假设每个区块有 10 笔交易的乐观情况,此成本将约为 2 美元,这与以太坊上 Uniswap 交易的成本相似。


怎样降低 gas 成本和延迟(使用递归)?


为了将延迟降低到几秒钟,并将每笔交易的 gas 成本降低到几美分,我们正在研究递归证明技术。这将使我们能够并行生成多个证明,然后递归地将它们组合成一个证明。


我们正在评估市场上可用的各种递归库,例如 plonky2,以及 Mina、Aztec 和 Starknet 团队的作品。我们邀请任何从事递归工作的人与我们联系。


通过使用递归和基于硬件的加速,我们相信我们可以实现跨链交易的 5 秒以下的延迟。


未来,我们甚至可以将多个轻客户端 header 组合在一个证明中,每个证明的成本仅为 4.5 美元,并且每个跨链交易的成本可能低于 1 美元。


系统设计概述


当前 IBC 设计(简化)



新提议的 IBC 设计



提案设计要点


1.IBC 的界面保持不变。这使得采用非常容易,因为不需要新的开发文档和开发人员的再教育。现有的代码库也将按原样使用。


2. 应用链(appchain)上不需要治理更新


3. 以太坊上的 IBC 需要两项更改:


a.Relayer 现在将只提交其有效性证明,而不是提交完整的轻客户端 Header。


b. 以太坊侧的链上轻客户端模块将包括一个 zk-proof 验证器,而不是 ed25619 签名验证。


下一步计划?


我们邀请以太坊和 ZK 社区提供他们的意见并帮助我们收集支持以使该提案成为现实。


执行计划:


阶段 1:我 ZK 引擎与 IBC 的集成


阶段 2:通过递归证明和硬件加速将延迟降低到约 5 秒。


阶段 3:部署一个演示应用链,通过 zk-IBC 连接到以太坊。


阶段 4:运行演示应用程序链的设置,进行广泛的测试,并使社区能够测试交易。


阶段 5:安全审计


阶段 6:主网部署


原文链接


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