Am 10. April veröffentlichte a16z Crypto eine zkEVM-Lösung namens Jolt, die darauf abzielt, Blockchain-Skalierungsvorgänge zu beschleunigen und zu vereinfachen. Jolt integriert SNARK Zero-Knowledge-Proofs, um ein Framework für EVM-kompatible Rollups bereitzustellen und Entwickler bei der Erstellung von SNARK-basierten L2-Lösungen zu unterstützen. Das Team gab an, dass die Geschwindigkeit von Jolt im Vergleich zu bestehenden zkVM-Lösungen "doppelt so hoch" ist.

Da die technischen Prinzipien von Jolt relativ komplex sind, hier eine einfache Erklärung einiger technischer Begriffe, die involviert sein könnten:

zkSNARK ist eine leistungsstarke Zero-Knowledge-Beweisprimitive und bildet die Grundlage für den Aufbau von zkVM und zkEVM.

zkVM ist ein allgemeines Konzept einer Zero-Knowledge-Virtual-Maschine, die jeden Befehlssatz unterstützt.

zkEVM ist eine spezifische Instanz von zkVM, die speziell für die Kompatibilität mit EVM entwickelt wurde.

ZK Rollup nutzt zkVM oder zkEVM, um die Skalierbarkeit von Ethereum zu verbessern und gleichzeitig die Privatsphäre zu wahren.

Was ist Jolt?

Jolt ist eine neuartige SNARK-Lösung, die einen präziseren und effizienteren Ansatz zum Aufbau von zkVM (Zero-Knowledge Virtual Machine) bietet. Tatsächlich schlug a16z Crypto schon im August 2023 Konzepte namens Lasso und Jolt vor. Diese Technologien wurden vor dem Hintergrund der langsamen und kostspieligen Natur der SNARK-Technologie eingeführt.

Lasso, eines dieser Konzepte, ist eine neuartige Parameter-Lookup-Methode, die die Kosten für Verifizierer erheblich reduziert. Jolt hingegen nutzt Lasso, um ein neues Framework für das Entwerfen von SNARKs für zkVM und breitere Frontend-Anwendungen bereitzustellen. Gemeinsam verbessern sie die Leistung, die Entwicklererfahrung und die Überprüfbarkeit von SNARK-Designs und verbessern so den Aufbau von Web3-Anwendungen. Dies wiederum erhöht die Verwendung von Zero-Knowledge-Beweisen im Bereich der Kryptographie.

Bevor wir uns mit Jolt befassen, kann es hilfreich sein, zkVM und zkEVM zu verstehen.

zkVM ist ein generelles Konzept, das sich auf eine Zero-Knowledge-Virtual-Machine bezieht. Ähnlich wie zkEVM ermöglicht es zkVM, Programme in Hochsprachen wie C++ oder Rust zu schreiben, die dann von der virtuellen Maschine in eine Form einer Zwischenrepräsentation (wie Schaltkreise oder arithmetische Beschränkungen) kompiliert werden. Diese Zwischenrepräsentation wird dann mithilfe von Beweissystemen wie zkSNARK nachgewiesen, dass sie korrekt ausgeführt wird. Im Gegensatz zu zkEVM ist zkVM nicht auf die EVM-Kompatibilität beschränkt, sondern unterstützt jeden Befehlssatz. Jolt ist eine leistungsfähige Implementierung von zkVM, die für den RISC-V-Befehlssatz entwickelt wurde.

Wir können uns zkVM als eine besondere „Black Box“ vorstellen, die der Außenwelt nachweisen kann, während die Privatsphäre erhalten bleibt, dass sie tatsächlich eine Berechnung gemäß einem vordefinierten Programm ausgeführt hat. Allerdings erfordern traditionelle zkVMs umfangreiche und umständliche Berechnungen, um diesen Nachweis zu erbringen, was zu einer sehr schlechten Leistung führt.

Die Kerninnovation von Jolt besteht darin, einen effizienteren mathematischen Ansatz zur Generierung dieses Nachweises zu finden:

Zuerst verwandelt Jolt die zu beweisende Berechnung geschickt in einen speziellen Polynomtyp um, den wir das „Berechnungspolynom“ nennen werden. Die Eigenschaft dieses Polynoms ist, dass sein Wert nur dann null ist, wenn die Blackbox die Berechnung korrekt ausführt.

Um zu beweisen, dass der Wert des "Berechnungspolynoms" null ist, verwendet Jolt ein interaktives Protokoll namens "sumcheck". Dieses Protokoll ermöglicht es Prüfern, in kürzerer Zeit davon überzeugt zu sein, dass der Wert des Polynoms null ist, ohne das gesamte Polynom berechnen zu müssen. Dies entspricht einem Lehrer, der nur einige Fragen auf dem Testpapier eines Schülers überprüft, um festzustellen, ob das gesamte Papier korrekt ist.

Technische Vorteile von Jolt

Jolts technische Prinzipien sind ziemlich komplex, aber um es einfach auszudrücken, ist zkVM eine Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Skalierbarkeit von Blockchain-Netzwerken, die in der Lage ist, effiziente Beweise bereitzustellen und gleichzeitig die Privatsphäre zu wahren. Vitalik diskutierte die zkSNARK-Technologie ausführlich während seiner jüngsten Keynote-Rede auf dem Hongkonger Web3 Carnival. Vitalik erklärte: „ZKSNARKS zu finden, ist sehr nützlich für Privatsphäre und Skalierbarkeit.“

Die Geschwindigkeit der Nachweisgenerierung und der Rechenaufwand waren jedoch schon immer wesentliche Herausforderungen für die praktische Anwendung der zkSNARK-Technologie und standen in den letzten Jahren im Fokus der akademischen und industriellen Forschung. Traditionelle zkSNARK-Schemata wie Pinocchio und Groth16 können mehrere Stunden oder sogar Tage dauern, um Nachweise für komplexe Berechnungen zu generieren, und erfordern erhebliche Speicher- und Speicherressourcen. Dieser Leistungsengpass schränkt die Anwendung von zkSNARK in vielen praktischen Szenarien erheblich ein.

Um groß angelegte Anwendungen auf Blockchain-Netzwerken zu aktivieren und eine Echtzeit-Verifizierung zu erreichen, ist die Verbesserung der Leistung von zkSNARK ein entscheidender Schritt.

Speziell beinhaltet der Nachweisgenerierungsprozess von zkSNARK komplexe kryptographische Algorithmen wie elliptische Kurvenpaarungen und Polynominterpolation, die erhebliche Rechenressourcen verbrauchen. Besonders wenn die Größe des berechneten Schaltkreises groß ist, steigt die Rechenkomplexität der Nachweisgenerierung exponentiell an.

Laut a16z Crypto ist die anfängliche Implementierung von Jolt etwa 6-mal schneller als RISC Zero und 2-mal schneller als der kürzlich veröffentlichte SP1 auf der CPU. Darüber hinaus planen sie, die Geschwindigkeit von Jolt in den kommenden Wochen um etwa 1,5-mal zu verbessern.

Aktuell ist die Geschwindigkeit von Jolt bereits mehr als 2-mal schneller als die bestehende zkVM, aber es gibt noch beträchtlichen Spielraum für Optimierung. Jolt nutzt auch geschickt bestimmte algebraische Eigenschaften von Polynomen, um ein effizienteres Polynom-Commitment-Schema zu erreichen, was die Größe von Beweisen und die Verifizierungszeit weiter reduziert.

Mögliche Veränderungen, die Jolt bringen wird

Aus ingenieurtechnischer Sicht setzt Jolt eine Reihe von Optimierungstechniken ein, wie z.B. kompaktere Schaltkreisdesigns, effizientere Pipelines und eine größere Parallelisierung, um die Nutzung der Hardware-Rechenleistung zu maximieren.

Angenommen, Sie sind ein Web3-Entwickler und möchten ein dezentrales Pokerspiel auf Ethereum bereitstellen. Dieses Spiel erfordert On-Chain-Mischen, Austeilen und Vergleichen von Kartenrängen, wobei jede Operation durch zkVM-Schaltungen für Datenschutz und Überprüfbarkeit implementiert werden muss.

Wenn Sie vorhandene zkVM-Lösungen wie ZoKrates oder Bellman verwenden würden, um einen solchen Schaltkreis zu erstellen, könnte es mehrere Stunden oder sogar Tage dauern. Dies liegt daran, dass die aktuelle Leistung von zkVM relativ niedrig ist und die Generierung von Zero-Knowledge-Beweisen für komplexe Schaltkreise erhebliche Rechenressourcen und Zeit erfordert. Dies würde zu langen Entwicklungs- und Testzyklen führen.

Allerdings würde sich die Situation erheblich ändern, wenn Sie Jolt verwenden würden, um den gleichen Schaltkreis aufzubauen. Laut Tests, die vom Jolt-Team durchgeführt wurden, kann die aktuelle Implementierung von Jolt Beweise 2-5 Mal schneller generieren als Mainstream-zkVM-Lösungen. Das bedeutet, dass wenn es ursprünglich 10 Stunden dauerte, einen Beweis zu generieren, es jetzt nur noch 2-5 Stunden dauern könnte.

Insgesamt bedeutet die 2-5-fache Leistungssteigerung, die Jolt mit sich bringt, eine erhebliche Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und Zugänglichkeit der zkVM-Technologie. Dies wird die Hürden für Web3-Entwickler erheblich senken, die Anwendungszyklen verkürzen und den Endbenutzern eine bessere Nutzererfahrung bieten. In Zukunft hat Jolt das Potenzial, die weit verbreitete Annahme der zkVM-Technologie zu beschleunigen und ermöglicht es mehr Benutzern, von verbesserter Datenschutz und überprüfbaren Rechenfähigkeiten im Web3-Ökosystem zu profitieren.

Natürlich befindet sich Jolt noch in den Anfängen der Entwicklung, und die Leistungssteigerung von 2-5x ist erst der Anfang. Mit kontinuierlicher Iteration und Optimierung der Jolt-Technologie können weitere Durchbrüche in der Leistung von zkVM erwartet werden, was letztendlich den Weg für die Realisierung von Web3-Anwendungen im großen Maßstab ebnet.

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