RISC Zero的Bonsai证明服务

1. 引言

Bonsai为通用ZKP网络,其支持任意链、任意协议、以及任意应用,利用ZKP来扩容、隐私和互操作。Bonsai的目标是为每条链都提供无限计算的能力。

借助Bonsai,可仅需数天的开发,即可实现对以太坊、L1链、Cosmos app链、L2 rollups、dApps等与ZKP的集成。

Bonsai证明服务:

  • 1)使用RISC Zero zkVM做链下计算。
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  • 2)其支持任何开发者,利用通用ZK计算,来构建更强大的链上应用。
  • 3)更长或更大的计算不要求具有相同的gas,从而可专注于链下性能。每个人都希望为EVM之外所运行的计算支付尽可能少的费用。
  • 4)借助ZKP,可不re-run某计算的情况下,验证该计算运行正确。因此Bonsai不仅仅是链下计算,还是可验证计算。
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  • 5)借助Bonsai,计算量将不受限。当前RISC Zero zkVM已添加了continuations机制,支持程序运行任意长时间。
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  • 6)为高速证明服务
  • 7)为proof relay系统
  • 8)可做proof转换(STARK -> SNARK)
  • 9)摊销费用
  • 10)用作proof market、轻节点和Image Hub等等。

之所以:

  • 1)使用链下计算服务的原因,在于:与其与具有有限能力的EVM做斗争,开发者可利用RISC Zero zkVM的通用虚拟机,来编写快速可扩展的计算。
  • 2)引入ZKP的原因,在于:任何人,无需re-run某计算,即可验证该计算运行正确。
  • 3)ZK程序无规模限制的原因,在于:借助Bonsai,可运行任意时长的链下计算。

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使用Bonsai可:

  • 1)做链下计算。
  • 2)为具有continuations的程序做receipt management。
  • 3)将proofs与其他用户(dApp)的proofs一起打包,以摊销费用。

RISC Zero Bonsai bounty 中发布了多个bounty任务:

  • 1)任务1:通过RISC Zero的ETH relay,使用Bonsai证明服务,开发一个有趣的dApp实例。不要求有高大上的链下计算。
    • 鼓励使用真实的Bonsai服务,本地开发使用mock服务也一样。
    • 使用开发者模板,修改app合约(Solidity)和provable zkVM程序(对应链下计算,Rust)。无需构建任何电路。
    • 展示有趣的链下provable计算。
  • 2)任务2:构建开发者模板并给RISC Zero团队反馈(并承诺根据要求采取后续行动):
    • 填写开发者反馈表单(并愿意花费1小时通过Telegram或Discord与RISC Zero团队联系)
    • 对开发者模板提供丰富有见解的开发体验反馈。

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开发者无需关注:

  • 1)编写定制的proof电路。
  • 2)考虑链下代码的EVM性能。
  • 3)对Bonsai直接做API调用。
  • 4)使用不熟悉的工具来开发。
  • 5)花费时间配置复杂的开发环境。
  • 6)在部署前对代码进行重大更改。

1.1 RISC Zero zkVM

RISC Zero zkVM:

  • 可间接证明任意程序的执行——基于某真实的微架构(RISC-V)。
  • 可用于不同场景:
    • Rollapps
    • Bonfire
    • RISC-Roll
    • Decision Tress
    • zkPoEx
    • zk voting in cosmos
    • 证明其它虚拟机(如BPF、Type 1 EVM等)的执行。
  • 通过continuations机制,支持数十亿cycles的计算。

RISC Zero zkVM基于开源的RISC-V指令集,其具有广泛的语言兼容性,并有可能用Rust、C++、Solidity、Go和其他语言编写代码。RISC Zero zkVM集成了recursive proofs、定制电路编译器、state continuations以及对证明算法的持续改进,为此,Bonsai支持任何人为不同的应用生成高性能ZKP证明。

1.2 尽可能地去中心化

模块化的生态有如下好处:

  • 互操作性
  • capability性能
  • 多样性
  • 敏捷性
  • 可定制性

Bonsai为可满足以上模块化特性的通用可验证及ZK计算平台。

Bonsai通过可用且符合人体工学设计的平台,为开发者带来了最新的ZK技术。

2. Bonsai——relayed链下计算证明服务

Bonsai使得可在任意链上支持无限计算。借助Bonsai,无需在自己的硬件上生成proofs,可将待证明的程序上传,并根据需要请求Bonsai来生成proofs。

Bonsai高度并行化并具有很高的性能。

无论是想在链下做重计算,或者是要为trustless、verifiable软件来生成proofs,都可使用Bonsai。Bonsai证明服务可单独使用,也可与智能合约以及链直接集成使用。

当前Bonsai仍处于早期开发阶段,勿将其用于生产环境。
RISC Zero的Bonsai证明服务_第6张图片
上图展示了如何通过以太坊智能合约来使用Bonsai,对于想使用Bonsai的开发者来说:

  • 1)开发一个调用Bonsai relay合约的dApp合约
    • dApp合约通过callback处理Bonsai relay合约返回的结果
  • 2)编写并上传想让Bonsai证明的程序——称为guest program。当前guest program支持Rust语言编写。除像常规那样编写Rust代码之外,还提供了一些额外的面向RISC Zero zkVM的功能,如:
    • env::read_slice:从dApp合约中读取输入数据。
    • env::commit_slice:将公开结果承诺给journal。journal为receipt的IBU分,包含了某zkVM应用的公开输出。
    • 此外,可使用ethabi来编码和解码EVM bytecode。

即整个架构包括3大核心组件:

  • 1)RISC Zero zkVM:为Bonsai背后的proof引擎。在零知识/可验证上下文中,可运行任意虚拟机的通用zkVM。
    • Bonsai底层使用RISC Zero zkVM来证明程序。
    • 在RISC Zero zkVM中,有:
      • recursive proofs
      • 通用电路(以及专门定做的电路编译器)
      • state continuations
      • 以及 对证明算法的持续改进。
    • 链下运行guest program,其输入源自dApp合约调用给的参数。
  • 2)Bonsai证明服务:见Bonsai litepaper Bonsai: One Chain to Prove Them All。直接与任意智能合约或链集成的证明系统。
  • 3)ETH relay:连接链下proofs和链上应用。dApp智能合约开发者可通过调用链上relay合约来调用Bonsai证明服务。未来也将开放可直接访问Bonsai证明服务的方式。为通用rollup,可将Bonsai中证明的任意计算分发给每条链。

基本的交互流程为:

  • 1)dApp合约通过relay合约来调用ETH relay。
  • 2)ETH relay向Bonsai证明服务发送生成proof请求。
  • 3)Bonsai证明服务使用RISC Zero zkVM来生成proof,并通过ETH Relay将该proof返回。

2.1 每条链和应用的ZKP证明

Bonsai支持将ZKP嵌入到整个web3生态,其承担独立的ZKP证明网络角色:

  • 链和dApps可通过调用智能合约或validators来生成ZKP证明。
  • 所生成的ZKP证明可提交到链上,如以太坊、zero-knowledge L2s、app chains和L1s。

从而:

  • 支持可验证的链下计算。
  • 应用依赖Bonsai来实现其智能合约的主要逻辑以及状态变化计算,而不需要使用链VM(如EVM)。状态变化和合约执行可通过Bonsai提交到链上的ZK proofs来完全验证。
    最终,所实现的智能合约将:
    • 更紧凑compact
    • 功能更丰富functional
    • 更省gas费gas efficient
// Without Bonsai
contract simulation_normal {
 function some_really_hard_work() {
   // A large amount of gas heavy code
       // code ...
       // code ...
       // code ...
       // code ...
       // code ...
       //
 }
}
// With Bonsai
contract simulation_bonsai {
 function some_really_hard_work() {
   bonsai_proving_network.call(“some_really_hard_work”);
 }
}

由上面的伪代码可知,Bonsai简化了non-trivial智能合约和链:

  • Bonsai将任意智能合约reduce为,单个ZK Bonsai网络调用,并将所有gas-heavy代码执行移到了链下。
  • 智能合约不再受限于EVM和其它限制,且,这些gas-heavy代码支持以Rust和其它RISC Zero zkVM所支持的语言来编写。即意味着,ETH上的Solidity合约,可将其主逻辑以Bonsai中的Rust来实现,并利用non-EVM原语、Rust crates以及链下执行的广泛功能。

将Bonsai直接与智能合约执行,支持将ZK带到任意Layer 1、Layer 2、app chain、dApp。当前,以太坊L1 dApps可利用Bonsai的ZK链下执行来降低gas费,并增加在以太坊基础层的TPS:

  • 如,Uniswap的swap函数,可在Bonsai链下计算swap rates和pool fees,从而大幅降低在ETH L1上做一次swap所需的gas量。

通过直接与智能合约集成,可维护Bonsai上构建的任意ZK app原生链的完全可组合型。此外,ZK dApps,当前可使用原生ETH、流动性、NFTs和Aave/Uniswap LPs。Bonsai可高效支持任意应用、链、app链很容易集成ZKP到其协议中,而无需定制化ZK电路开发。

2.2 原生互操作性

Bonsai:

  • 作为跨多条链的中心化证明网络,其支持在不同的智能合约间的组合互操作性,而无需关注各合约的原始链。
  • 作为通用rollup,可将源自以太坊和其它链的多个ZKP证明,rollup为单个proof,并将rollup后的单个proof跨任意链提交。
  • 这就意味着,Bonsair可为任意链可访问的共享执行层。

如:

  • 某以太坊DEX上的swap call,可直接利用Solana上的流动性池。
  • 在Bonsai共享执行层范围内,智能合约可跨链相互调用。
  • 还有其它无限可能,Bonsai不受限于L1s,其可在Layer 2 ORUs、zkEVMs、Cosmos app链(具有与IBC集成的潜力)、oracles、web2间实现互操作性。

2.3 Bonsai架构

Bonsai为高度并行、链未知的通用证明网络,其支持开发者构建完全新的ZK应用类型。为此,Bonsai架构由多个模块化组件组成,使得Bonsai网络可与任意链和协议交互。同时,Bonsai设计之初就以去中心化优先原则,其所开发的所有组件均支持分布式执行和证明。

RISC Zero的Bonsai证明服务_第7张图片
Bonsai中主要组件有:

  • 1)Prover network:由节点operator运行RISC Zero zkVM prover所组成的网络,可用于执行和证明通过Bonsai API发送的任意请求。Bonsai基础设施将确保高的节点可用性,同时,跟踪节点operator的激励措施。随着时间推移,Prover network将扩大,且去中心化将支持任何人运行RISC Zero zkVM prover。
  • 2)Request Pool:为proofs请求数据库,以及关于那些proofs(如age和rollup-depth)的metadata。request pool将用作sequencer,并为节点operators构建区块。多个proofs将切分多个部分,以支持高时效证明,该request pool管理单个函数请求的切分和重组。
  • 3)Rollup Engine:rollup engine获取由Prover network生成的proofs,并将这些proofs汇总为单个root proof。然后将root poof提交到链上(如以太坊和Solana),这些链随后会验证该root proof的有效性。
  • 4)Image Hub:image hub将支持开发者存储,通过Bonsai APIs所执行的链上智能合约函数和程序images。此时,程序images复杂性可能会有所不同,从基本的DeFi swap函数到复杂的轻节点甚至Geth。所有这些程序images的执行都将是通过Bonsai和RISC Zero zkVM而ZK可证明的。
    • image hub为开发者提供了特别强大的编程原语,并支持创建跨多个链的复杂状态流。
    • image hub支持Bonsai用作任意链间的共享执行层,并从多个维度增加了智能合约的功能性。

Bonsai未来将引入如下组件:

  • 1)State Store:state store将支持开发者在Bonsai存储状态,而无需在settlement层(如L1以太坊等)维护状态。这将节约gas,并降低应用合约复杂性,同时提高Bonsai中执行代码的功能性。
    • state store中的变量以Key/Value pairs来表示,其在Bonsai中存储状态,便于Bonsai内的函数/程序images访问。
  • 2)Proving Marketplace:当Bonsai proofs的需求量超过了供给时,将致力于开发去中心化证明网络。可基于Bitcoin和以太坊的market设计思想,支持任何人都生成proofs。该proof market将通过竞价来匹配proof请求,支持无需许可地参与到proving网络中,从而提高Bonsai的总体效率和可靠性。

3. 基于Bonsai证明服务的一些应用案例

Bonsai支持智能合约在链下执行任意数量的代码,并为确保该代码的执行和状态变更的有效性生成proof。从而可实现:

  • 1)可扩展性:通过简单将代码执行从链VM中移出,智能合约所需的gas费将少几个数量级,因为仅需在链上执行数行代码。这将有助于降低任意智能合约的gas开销,并实现跨DEX、lending协议、NFT marketplace等的更低费用。有了Bonsai,无论合约的复杂程度如何,每个智能合约的gas费用都会有上限。使用Bonsai,智能合约可以大致聚合为以下内容:

    ontract simulation_bonsai {
      function some_really_hard_work() {
        // Amount of ETH to swap, liquidation prices, LP balances, Etc.
        inputVals = Query chain for input values and data
    
        // Ask Bonsai to calculate state transitions
        newState = bonsai_proving_network.call(“some_really_hard_work”, inputVals)
    
        // Update blockchain values
        state = newState
      }
    }
    
  • 2)功能性:链下执行支持函数利用现有Rust/C++等库的优势。因为链下执行不再受限于现有L1执行层限制。Bonsai上的智能合约代码可像RISC Zero zkVM中的传统程序那样执行,从而支持更好的性能和更复杂的智能合约。同时现有Rust/C++库将增加合约的功能性,特别是增加那些基于传统单片式L1的合约的功能性。

  • 3)链互操作性:当前ETH上没有双边maker taker订单簿的原因,在于高昂的gas费,以及所需的复杂的订单撮合算法。通过Bonsai,整个订单撮合流程可在链下实现。链上操作仅包括提交订单自身,以及锁定支付资产。若将订单簿状态存储在链下,未来还可进一步优化。从ETH block explorer的角度来看,订单簿看起来就像双方的简单资产转移,所有的撮合、竞价、询价均隐藏在Bonsai完成。

    • Bonsai作为共享链下执行层,其支持任意链和合约相互交互。Bonsai zkVM将用作所有链下智能合约的中心,而无需关注这些合约的源头或语言,因Bonsai都会将其编译为RISC-V。作为执行层,Bonsai将支持传统L1跨链的可组合型、互操作性。

3.1 zkLOB

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3.2 zkGovernor

代码见:

  • https://github.com/risc0/risc0/tree/release-0.19/bonsai/examples/governance#readme
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3.3 zkEVM

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3.4 集成:zk Fraud Proofs

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3.5 集成:Sovereign SDK

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3.6 集成:Eclipse zkBPF

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3.7 集成:Web AuthN Wallet

见:

  • Twitter Bonfire Wallet
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参考资料

[1] RISC Zero团队在ETH Waterloo 2023上给hackers的分享视频 Scaling dApps with Bonsai (RISC Zero @ ETH Waterloo)
[2] Bonsai overview
[3] RISC Zero Bonsai bounty
[4] 2023年7月视频 Bonsai: a Verifiable & ZK Computing Platform for a Modular World - Brian Retford
[5] Bonsai litepaper Bonsai: One Chain to Prove Them All
[6] 2023年5月视频 RISC Zero - Paul Gafni (RISC Zero)

RISC Zero系列博客

  • RISC0:Towards a Unified Compilation Framework for Zero Knowledge
  • Risc Zero ZKVM:zk-STARKs + RISC-V
  • 2023年 ZK Hack以及ZK Summit 亮点记
  • RISC Zero zkVM 白皮书
  • Risc0:使用Continunations来证明任意EVM交易
  • Zeth:首个Type 0 zkEVM
  • RISC Zero项目简介
  • RISC Zero zkVM性能指标
  • Continuations:扩展RISC Zero zkVM支持(无限)大计算
  • A summary on the FRI low degree test前2页导读
  • Reed-Solomon Codes及其与RISC Zero zkVM的关系
  • RISC Zero zkVM架构
  • RISC-V与RISC Zero zkVM的关系
  • 有限域的Fast Multiplication和Modular Reduction算法实现

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