在ZK中证明以太坊全节点

证明以太坊 PoS 的完整节点对于安全至关重要

与以太坊轻客户端相比，证明以太坊全节点的方式具有更高的安全保障。以太坊轻客户端采用独特的算法运行，其安全性完全依赖于一个称为“同步委员会”的委员会。然而，同步委员会的规模只有512人，大致每天轮换一次（即大约27.3小时）。质押资产总额仅为 16384 ETH（按 512 * 32 计算），与连接以太坊生态系统和其他网络的跨链桥的每日交易量（超过 3 亿美元）相比，这个数字非常微不足道（目前仅质押 3200 万美元 ETH）。

另一个问题是同步委员会并不总是签署区块。(例如，块17239413和块17239414 )。统计数据显示，有 1.6% 的区块没有得到绝大多数同步委员会的签名，平均每 12 分钟就会发生一次该问题。

证明以太坊全节点的系统概述

为了纠正这些问题，我们决定取消同步委员会，并利用自合并以来部署的以太坊区块链的完整 PoS 共识。这将在以太坊主网上的一个区块中包含超过 20,000 个签名（比 512 同步委员会增加了 40 倍）。

为了应对增加 40 倍的工作量，我们采用了我们独特的证明系统 — deVirgo。由于其理论增强和重大工程进步，该系统拥有无与伦比的处理能力。deVirgo 协议理论上消除了对非常大的 FFT 或 MSM 的需要，使得证明生成时间与签名数量呈线性关系。该协议已部署在zkBridge上，支持并行和分布式计算。

在具有十亿级电路的证明系统上进行的实验表明，证明生成时间不到 10 秒，这与以太坊区块生成的速度相匹配，而无需增加证明大小或验证时间。

用于证明以太坊全节点的高效证明系统

为了使证明者能够快速证明以太坊全节点，我们使用高效的证明系统 deVirgo。Devirgo 是Virgo协议的分布式版本，旨在通过将计算分布在多台机器上来并行化 GKR 协议。借助 deVirgo，zkBridge 可以支持不同区块链之间快速灵活的互操作性，而无需依赖外部信任假设。zkBridge 还使用递归证明来证明 deVirgo 先前生成的证明证明了相应的块头。在任何兼容 EVM 的区块链网络上，证明递归将链上验证成本降低至约 220K Gas。

deVirgo 的关键见解是探索以太坊完全共识的验证可以表示为数据并行电路的本质。假设有一个数据并行运算电路𝐶以及N台机器。deVirgo证明系统可以将数据并行电路划分为N个子电路，每台机器仅计算一个子电路。以太坊全共识的验证就是这样一个数据并行电路，它可以包含超过30K个相同的签名验证算法和哈希值。

deVirgo 的核心是分发总和检查的技术。在 deVirgo 中，和检查协议分为两个阶段。在第一阶段，每台机器处理自己的子电路并共同生成一个聚合证明。剩余的工作对于单台机器来说足够小，该机器执行阶段 2，结束分布式和检查。

证明以太坊全节点的性能评估

为了评估 BLS 签名聚合的实现，我们使用两个 AMD EPYC™ 7763 CPU 测量了 deVirgo 证明器和递归验证器的运行时间。结果总结如下：

BLS 签名数量

1024

16384

32768

证明生成时间(s)

0.4

4.2

7.8

递归验证时间(s)

0.20

0.22

0.23

我们在zkBridge上部署了以太坊全节点证明系统。zkBridge将以太坊设置为发送链，将BNB Chain、Avalanche等其他网络设置为接收链。结果表明，zkBridge可以在12秒内生成以太坊全节点证明并验证BNB Chain和其他网络上的块头，包括所有组件的延迟。

我们将继续优化实施。计划在不久的将来进行 GPU 加速，这可以降低前期成本，实现更好的去中心化。尽管如此，当前的 zkBridge 证明系统的效率足以赶上以太坊的出块时间。