[論文レビュー] zkBridge: Trustless Cross-chain Bridges Made Practical

Tiancheng Xie, Jiaheng Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 20

ひとこと要約

zkBridge は、信頼なしで、スケーラブルなクロスチェーンブリッジを提供し、要約された zk-SNARK 証明を用いて、実用的な Cosmos↔Ethereum ブリッジを実現し、オンチェーン検証コストを劇的に削減します。

ABSTRACT

Blockchains have seen growing traction with cryptocurrencies reaching a market cap of over 1 trillion dollars, major institution investors taking interests, and global impacts on governments, businesses, and individuals. Also growing significantly is the heterogeneity of the ecosystem where a variety of blockchains co-exist. Cross-chain bridge is a necessary building block in this multi-chain ecosystem. Existing solutions, however, either suffer from performance issues or rely on trust assumptions of committees that significantly lower the security. Recurring attacks against bridges have cost users more than 1.5 billion USD. In this paper, we introduce zkBridge, an efficient cross-chain bridge that guarantees strong security without external trust assumptions. With succinct proofs, zkBridge not only guarantees correctness, but also significantly reduces on-chain verification cost. We propose novel succinct proof protocols that are orders-of-magnitude faster than existing solutions for workload in zkBridge. With a modular design, zkBridge enables a broad spectrum of use cases and capabilities, including message passing, token transferring, and other computational logic operating on state changes from different chains. To demonstrate the practicality of zkBridge, we implemented a prototype bridge from Cosmos to Ethereum, a particularly challenging direction that involves large proof circuits that existing systems cannot efficiently handle. Our evaluation shows that zkBridge achieves practical performance: proof generation takes less than 20 seconds, while verifying proofs on-chain costs less than 230K gas. For completeness, we also implemented and evaluated the direction from Ethereum to other EVM-compatible chains (such as BSC) which involves smaller circuits and incurs much less overhead.

研究の動機と目的

• 信頼された委員会なしに、安全なクロスチェーン相互運用性を推進する。
• ライトクライアント検証をアプリケーションロジックから分離するモジュール型ブリッジアーキテクチャを開発する。
• 証明生成時間とオンチェーン検証コストのバランスを取る二層再帰証明システムを設計・実装する。
• Cosmos→Ethereum プロトタイプを用いて実用性を示し、性能とスケーラビリティを評価する。

提案手法

• ブロックヘッダーレレイネットワーク、更新契約、アプリケーション契約を用いて、リモートブロックヘッダーを zk-SNARK 証明を介して中継・検証する zkBridge を提案する。
• データ並列性を活用して複数のマシンで証明生成を加速する Virgo の分散版 deVirgo を導入する。
• 大規模な deVirgo 証明を Groth16 を用いて再帰的に圧縮し、オンチェーン検証を小さく高速にする。
• 二層の再帰を提供する：高速な証明生成のための deVirgo と、オンチェーンで deVirgo 証明を検証する Groth16。
• 実用性を評価するために、エンドツーエンドの Cosmos→Ethereum プロトタイプと、Ethereum→EVM互換チェーンのバリアントを実装する。
• 証明生成が20秒未満、オンチェーンガスコストが230k gas未満であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央委員会なしで信頼なしのクロスチェーンブリッジを構築し、高いセキュリティ保証を維持できるか？
• RQ2 大規模なクロスチェーン証明のオンチェーン検証コストを最小化するために、 zk-SNARKs をどのように活用・最適化できるか？
• RQ3 ユニバーサルブリッジの上で柔軟なアプリ固有のロジックを実現するための設計は何か？
• RQ4 新規の証明システムで、Cosmos→Ethereum のような難易度の高いクロスチェーン方向で実用的な性能を達成することは可能か？
• RQ5 二層の再帰証明アプローチ（deVirgo + Groth16）が証明者時間と検 verifier コストのバランスを取るのにどれほど有効か？

主な発見

• zkBridge は外部委員会に依存せず、zk-SNARK の健全性に基づく信頼なしのセキュリティを実現します。
• deVirgo によって証明生成が加速され、zkBridge ワークロードで元の Virgo より100倍以上高速です。
• 再帰的 Groth16 証明は大規模な deVirgo 証明を圧縮し、オンチェーン検証コストを約80M gas から <230K gas に削減します。
• Cosmos→Ethereum プロトタイプは実用的な証明生成時間（20秒未満）と実現可能なオンチェーン検証コストを示します。
• Ethereum→EVM-compatible チェーンの実装はより小さな回路サイズと低いオーバーヘッドを示し、より広い適用性を検証します。
• ブリッジコアロジックをアプリケーション固有の検証から分離することで、トークン転送やメッセージ伝達など多様なユースケースを実現します。