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L1 블록 검증을 위한 zkEVM

zkEVM은 영지식 증명을 사용하여 이더리움 블록 실행을 검증하는 기술입니다. 모든 가 블록 내의 모든 트랜잭션을 재실행하도록 요구하는 대신, 단일 특수 주체("증명자(prover)"라고 함)가 블록을 실행하고 실행이 올바르다는 암호화 증명을 생성합니다. 그러면 모든 노드가 이 증명을 검증할 수 있습니다. 이 과정은 모든 트랜잭션을 재실행하는 것보다 훨씬 저렴합니다.

재실행 문제

오늘날 이더리움은 "N-of-N" 검증 모델을 사용합니다. 제안된 상태 변경이 올바른지 검증하기 위해 모든 검증자가 모든 블록의 모든 트랜잭션을 독립적으로 재실행해야 합니다. 이 접근 방식은 신뢰를 최소화(trustless)하는 데는 최적이지만, 근본적인 병목 현상을 일으킵니다.

문제는 이더리움의 처리량이 평균적인 검증자가 처리할 수 있는 수준으로 제한된다는 것입니다. 를 높이면 블록당 더 많은 트랜잭션을 허용할 수 있지만, 검증자의 하드웨어 요구 사항도 높아집니다. 이는 탈중앙화를 위협합니다. 검증자를 실행하는 데 값비싼 하드웨어가 필요하다면 네트워크 보안에 참여할 수 있는 사람이 줄어들기 때문입니다.

zkEVM은 이러한 트레이드오프에서 벗어날 수 있는 방법을 제공합니다. "모두가 재실행"하는 방식에서 "한 명이 증명하고 모두가 검증"하는 방식으로 전환함으로써, 이더리움은 검증자 하드웨어 요구 사항을 높이지 않고도 가스 한도를 안전하게 늘릴 수 있습니다.

zkEVM L1 검증 작동 방식

zkEVM 검증은 블록 유효성 검사를 "1-of-N" 모델로 변환합니다.

  1. 실행: 증명자가 블록 내의 모든 트랜잭션을 실행하여 모든 상태 변경을 추적합니다.
  2. 증명: 증명자가 실행의 정확성을 증명하는 암호화 증명(SNARK 또는 STARK)을 생성합니다.
  3. 검증: 검증자는 트랜잭션을 재실행하는 대신 증명을 검증합니다. 이는 전체 재실행보다 훨씬 저렴합니다.

보안 보장은 동일하게 유지됩니다. 실행이 올바르지 않으면 유효한 증명을 생성할 수 없습니다. 하지만 이제 모든 노드가 값비싼 연산을 수행하는 대신 증명자만 연산을 수행하며, 검증 비용이 충분히 저렴해져 가스 한도를 제한하지 않습니다.

타입 1 zkEVM

zkEVM은 이더리움과의 호환성에 따라 여러 타입으로 분류됩니다.

  • 타입 1: 이더리움과 완전히 동일합니다. EVM을 수정하지 않으므로 모든 이더리움 블록을 있는 그대로 정확하게 증명할 수 있습니다.
  • 타입 2-4: 증명을 더 쉽게 만들기 위해 EVM 동작을 수정하는 등 다양한 트레이드오프를 취합니다.

L1 검증에는 타입 1이 필수적입니다. zkEVM은 엣지 케이스와 과거 블록을 포함하여 유효한 모든 이더리움 블록을 증명할 수 있어야 합니다. 이더리움의 정확한 동작에서 벗어나면 합의 문제가 발생할 수 있습니다.

이더리움 재단의 zkEVM 연구는 기존 이더리움 실행과 완벽하게 호환되는 타입 1 구현에 중점을 둡니다.

이더리움을 위한 이점

더 높은 처리량

검증 비용이 저렴해지면 가스 한도를 안전하게 늘릴 수 있습니다. 이는 네트워크 용량을 확장하고 수요가 많은 기간 동안 수수료를 안정화하는 데 도움이 됩니다. 현재 가스 한도는 부분적으로 검증자 하드웨어에 의해 제한되지만, zkEVM은 이러한 제약을 제거합니다.

더 강력한 탈중앙화

zkEVM 검증을 통해 검증자는 트랜잭션을 실행할 필요 없이 증명만 검증하면 됩니다. 이는 검증자를 실행하기 위한 하드웨어 요구 사항을 크게 낮추어 더 많은 사람이 네트워크 보안에 참여할 수 있게 합니다. 검증자 다양성이 높아지면 이더리움의 검열 저항성과 회복력이 강화됩니다.

증명 자체에는 현재 검증자 하드웨어보다 더 많은 상당한 컴퓨팅 리소스가 필요하다는 점에 유의하세요. 그러나 유효성 검사와 달리 증명은 동일한 방식으로 탈중앙화될 필요가 없습니다. 블록당 하나의 올바른 증명만 필요하며 누구나 빠르게 검증할 수 있습니다. 증명자 시장, 증명 집계 및 하드웨어 가속에 대한 연구는 증명이 소수의 대규모 운영자에게 집중되지 않고 경쟁력 있고 접근 가능한 상태를 유지하도록 하는 것을 목표로 합니다.

예측 가능한 최종성

증명 검증은 블록 복잡성에 관계없이 일정한 시간 내에 작동합니다. 이를 통해 인증(attestation) 타이밍을 더 예측 가능하게 만들고, 검증자가 복잡한 블록을 제때 처리하지 못할 때 발생할 수 있는 누락된 인증을 줄입니다.

실시간 증명의 과제

zkEVM L1 검증의 주요 과제는 속도입니다. 이더리움 블록은 12초마다 생성되므로, 합의에 유용하게 사용되려면 비슷한 시간 내에 증명이 생성되어야 합니다.

현재 zkEVM 구현은 단일 블록을 증명하는 데 몇 분에서 몇 시간까지 걸릴 수 있습니다. 연구는 다음을 통해 이 격차를 줄이는 데 중점을 둡니다.

  • 병렬화: 여러 머신에 증명 작업을 분산
  • 특수 하드웨어: ZK 증명에 최적화된 회로 및 하드웨어 설계
  • 알고리듬 개선: 더 효율적인 증명 시스템 및 회로 설계
  • 점진적 증명: 트랜잭션 실행 후가 아니라 실행되는 동안 증명 생성

현재 연구 및 구현

이더리움 재단은 PSE(Privacy Stewards of Ethereum) (opens in a new tab) 팀을 통해 zkEVM 연구에 자금을 지원합니다. 주요 연구 트랙은 다음과 같습니다.

  • 실시간 증명: 12초 슬롯 내에 전체 블록 증명 생성
  • 클라이언트 통합: 실행 클라이언트와 증명자 간의 인터페이스 표준화
  • 경제적 인센티브: 지속 가능한 증명자 시장 및 수수료 구조 설계

구현 상태

이더리움 블록 증명을 위해 여러 zkVM 구현이 개발 및 테스트되고 있습니다.

구현아키텍처
OpenVM (opens in a new tab)rv32im
RISC Zero (opens in a new tab)rv32im
Airbender (opens in a new tab)rv32im
Jolt (opens in a new tab)rv32im
Zisk (opens in a new tab)rv64ima

이들은 RISC-V 기반 가상 머신을 사용하여 EVM 바이트코드를 실행한 다음, 올바른 실행에 대한 ZK 증명을 생성합니다. 최신 테스트 결과 및 진행 상황은 이더리움 재단의 zkVM 트래커 (opens in a new tab)에서 추적할 수 있습니다.

zkEVM이 다른 업그레이드와 어떻게 연결되는가

zkEVM L1 검증은 다른 여러 이더리움 로드맵 항목과 연결됩니다.

  • 버클 트리: 무상태(stateless) 검증을 위해 더 작은 증인(witness)을 가능하게 하여 증명자가 작업해야 하는 데이터를 줄입니다.
  • 무상태성: zkEVM은 핵심 조력자입니다. 실행에 대한 ZK 증명이 있으면 노드는 블록을 검증하기 위해 전체 상태가 필요하지 않습니다.
  • PBS: 블록 빌더가 증명 생성을 통합하거나 별도의 증명자 시장이 나타날 수 있습니다.
  • 단일 슬롯 최종성: 더 빠른 증명 생성은 암호화 보장을 통해 단일 슬롯 최종성을 가능하게 할 수 있습니다.

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