在區塊鏈技術快速發展的背景下，許多協議被提出和實施，每個協議都採用不同的共識方法——從基於計算的協議（如工作量證明）到基於激勵的協議（如權益證明）等。由於協議在共識、安全性、編程語言和其他方面存在差異，自區塊鏈早期以來，不同鏈上的流動性和資產慢慢變得更加分散。跨鏈橋是減少不同區塊鏈碎片和聚合流動性的解決方案。 Wormhole 就是這樣的一種跨鏈橋接協議，它促進了加密貨幣和 NFT 在各種智能合約區塊鏈（例如 Solana 和以太坊）之間的移動。
當前橋樑的問題
跨鏈橋很棘手。一個主要挑戰是確保橋樑的安全，保護存儲在智能合約或集中託管機構中的資產。由於支持橋接資產的資金集中存儲，橋接器歷來都是對黑客有吸引力的目標。橋樑不斷發展的設計也使攻擊者有可能找到新的漏洞和錯誤來利用。 2022 年，在安全修復程序上傳到 Github 後，Wormhole 遭到黑客攻擊，損失了 3.25 億美元，但在此之前，黑客設法捲走了這些資金。 Chainaanalysis報告稱，2022 年，跨鏈橋攻擊佔被盜資金總額的 69%。
圖片來自 Chainaanalysis
圖片來自DEFIYIELD
另一個挑戰是績效不佳和對中央實體的依賴。目前的跨鏈橋正在解決可擴展性問題。為了更新和協調兩條鏈的狀態，網橋需要大量的計算能力和存儲容量，從而導致巨大的開銷。為了減輕這種負擔，一些橋樑已經轉向基於委員會的方法，由有限的一組驗證者（甚至只是多重簽名持有者）批准狀態轉移。不幸的是，這種方法使他們面臨漏洞和潛在的攻擊。
這些擔憂促使開發人員尋求替代解決方案，特別是利用零知識加密技術的解決方案。在這些方法中，zk-SNARK 的使用消除了對委員會模型的需求，同時確保了網絡的可擴展性。
由 zk-SNARKs 提供支持的跨鏈橋
目前有幾個項目在不同的生態系統和發展階段開發 zk 橋接解決方案：
這些舉措利用 zk-SNARKS 的功能徹底改變橋樑的設計。然而，為了成功實施所有這些方法，一個關鍵的要求是輕客戶端協議——一種連接到完整節點並促進與區塊鏈交互的軟件。該協議確保節點可以有效地同步已確認的區塊鏈狀態的塊頭。
當將 zk-SNARK 合併到橋中時，出現了兩個主要挑戰。首先，與匯總相比，橋需要更大的電路尺寸。其次，需要解決最小化鏈上存儲和計算開銷的問題。
簡潔實驗室
Succinct Labs正在為以太坊 2.0 的 PoS（權益證明）共識開發一個輕客戶端，在Gnosis和以太坊之間建立信任最小化的橋樑。該橋利用 zk-SNARKS 的效率以簡潔的方式驗證鏈上共識有效性證明。
該設置涉及一個由以太坊中的 512 名驗證者組成的同步委員會，每 27 小時隨機選擇一次。這些驗證者負責在指定的時間內簽署每個塊頭。如果超過 2/3 的驗證者在每個區塊頭上簽名，則以太坊的狀態被認為是有效的。驗證過程主要需要驗證：
標頭的 Merkle 證明
同步委員會中驗證者的 Merkle 證明
BLS 簽名確保同步委員會的正確輪換
這個過程會產生大量的計算成本，因為基本概念涉及輕客戶端利用 zk-SNARK (Groth16) 創建一個恆定大小的證明（有效性證明），可以在 Gnosis 鏈上進行有效驗證。證據是通過鏈下計算生成的，這需要構建電路來驗證驗證器及其簽名，然後生成 zk-SNARK 證明。隨後，證明和區塊頭被提交給 Gnosis 鏈上的智能合約進行驗證。
使用 zk-SNARK 有助於降低存儲開銷和電路複雜性，從而減少信任假設。儘管如此，這種方法是專門為以太坊 2.0 共識協議和 EVM 量身定制的，這可能需要更大的適應性才能適用於其他區塊鍊網絡。
2023 年 7 月，Succinct Labs 發布了一項重大公告，確認正式集成其以太坊 zk 輕客戶端，以增強主網上 Gnosis Omnibridge 的安全性。此次整合使 Succinct Labs 負責保護 Gnosis Omnibridge，該平台目前鎖定的總價值 (TVL) 超過 4000 萬美元，迄今為止已促進了超過 15 億美元的穩定幣資產流動。
zkIBC（電子實驗室）
Electron Labs 正在構建一座源自Cosmos SDK生態系統的橋樑，作為特定應用區塊鏈的框架。該橋將利用IBC （區塊鏈間通信）來實現框架內定義的所有獨立區塊鏈之間的無縫通信。
儘管如此，從 Cosmos SDK 到以太坊實現輕客戶端仍然充滿困難。 Cosmos SDK 使用Tendermint 輕客戶端，該客戶端在扭曲的 Edwards 曲線 (Ed25519) 上運行——以太坊區塊鏈本身不支持該曲線。因此，在以太坊 BN254 曲線上驗證 Ed25519 簽名成本高昂且效率低下。為了克服這一障礙，Electron Labs 正在研究一種基於 zk-SNARK 的解決方案。該系統將生成簽名有效性的鏈下證明，並且僅在以太坊鏈上對該證明進行驗證，有效解決了該問題。
通過採用這種方法，可以以高效且經濟高效的方式驗證來自以太坊區塊鏈上的 Cosmos SDK 的 Ed25519 簽名，同時避免引入任何額外的信任假設。然而，這種方法的一個潛在問題是延遲。 Cosmos SDK 中的出塊速度為 7 秒，為了跟上這個速度，證明者時間必須大幅減少。 Electron Labs 打算通過使用多台機器同時生成證明，然後將它們合併為一個 zk-SNARK 證明來解決這個問題。
zkBridge 由 Polyhedra Network 提供
與其他兩個業界領先的基於 ZK 的橋接結構相比， zkBridge作為一個多功能框架脫穎而出，有助於在其平台上開發多個應用程序。它有效地利用 zk-SNARK 建立高效的通信過程，使證明者能夠令人信服地向接收者鏈證明發送者鏈上發生了特定的狀態轉換。 zkBridge 框架由兩個關鍵組件組成：
區塊頭中繼網絡：該組件從發送者鏈獲取區塊頭，生成證明來驗證區塊頭，然後將區塊頭和證明傳輸到接收者鏈上的更新者合約。
更新者合約：這部分維護輕客戶端狀態，並在驗證相關證明後自動合併發送者鏈區塊頭。此外，它還使發送者鏈的當前主鏈狀態保持最新。
圖片來自多面體網絡
zkBridge 與其他行業主導的方法之間的主要區別在於，zkBridge 僅需要中繼網絡中存在一個誠實節點，並假設 zk-SNARK 的健全性。
該結構的關鍵進步在於 zk-SNARK：Virgo 證明者（ deVirgo ）的並行使用，它引入了一種新穎的分佈式證明系統來加快證明生成過程和遞歸證明以降低鏈上證明驗證的成本。 deVirgo 依靠GKR 協議和多項式承諾方案來生成驗證多個簽名的電路的證明。隨後，deVirgo 證明使用 Groth16 證明器進行壓縮，並由目標區塊鏈上的更新器合約進行驗證。這些證明系統的組合允許在 zkBridge 中進行高效的跨鏈通信，而無需依賴外部信任假設。
zkBridge 的主網 Alpha 於 2023 年 4 月發布，目前正在促進多個第 1 層和第 2 層區塊鍊網絡（例如 BNB Chain、以太坊和 Arbitrum）之間的跨鏈互操作性。在 ETHCC Paris 2023 的 zkDAY 期間，Polyhedra Network 首席技術官謝天成強調，自主網啟動以來，他們的協議已吸引了超過 50,000 名日活躍用戶和 800,000 名月活躍用戶。
憑藉其模塊化架構，zkBridge 為開發人員和用戶提供了廣泛的可能性。這些可能性包括代幣橋接和交換、消息傳遞以及適應不同區塊鍊網絡狀態變化的計算邏輯。
結論
將 zk-SNARK 納入橋樑設計中可以有效解決與去中心化和安全性相關的問題。然而，由於涉及的電路尺寸較大，它確實造成了計算瓶頸。隨著對互操作性的關注不斷增加，將會有更多的努力致力於開發安全和可擴展的橋接技術。這些進步預計將對 ZK 技術的整體進步和採用產生積極影響。因此，我們可以預見在不久的將來，研究、創新實施以及跨鏈應用程序的更廣泛採用將取得重大進展。
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