[논문 리뷰] zkBridge: Trustless Cross-chain Bridges Made Practical

Tiancheng Xie, Jiaheng Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 01.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 20

한 줄 요약

zkBridge는 간단한 zk-SNARK 증명을 사용하여 신뢰할 수 없고 확장 가능한 크로스 체인 다리를 제공하며, Cosmos↔Ethereum 다리를 실용적으로 연결하고 온체인 검증 비용을 크게 감소시킵니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 있는 위원회 없이 안전한 크로스체인 상호운용성을 촉진한다.
• 경량 클라이언트 검증을 애플리케이션 로직과 분리하는 모듈식 다리 아키텍처를 개발한다.
• 증명 생성 시간과 온체인 검증 비용의 균형을 맞추기 위해 두 계층 재귀 증명 시스템을 설계하고 구현한다.
• Cosmos→Ethereum 프로토타입으로 실용성을 입증하고 성능 및 확장성을 평가한다.

제안 방법

• 블록 헤더 중계 네트워크, 업데이트 계약, 및 애플리케이션 계약을 사용하여 원격 블록 헤더를 zk-SNARK 증명을 통해 중계 및 검증하는 zkBridge를 제안한다.
• 여러 머신에 걸친 증명 생성 속도를 가속하기 위해 데이터 병렬성을 활용하는 Virgo의 분산 버전인 deVirgo를 도입한다.
• 큰 deVirgo 증명을 Groth16을 사용하여 재귀적으로 압축해 작고 빠른 온체인 검증을 달성한다.
• 신속한 증명 생성을 위한 deVirgo와 온체인에서 deVirgo 증명을 검증하는 Groth16의 두 계층 재귀를 제공한다.
• 실용성을 평가하기 위해 end-to-end Cosmos→Ethereum 프로토타입과 Ethereum→EVM-호환 체인 변형을 구현한다.
• 증명 생성 시간이 20초 미만이고 온체인 가스 비용이 230k 가스 미만임을 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 위원회 없이도 높은 보안 보장을 유지하면서 신뢰할 수 없는 크로스체인 다리가 구축될 수 있는가?
• RQ2 대규모 크로스체인 증명에 대한 온체인 검증 비용을 최소화하기 위해 zk-SNARK를 어떻게 사용하고 최적화할 수 있는가?
• RQ3 통합 다리 위에서 유연한 애플리케이션 특화 로직을 가능하게 하는 아키텍처 설계는 무엇인가?
• RQ4 새로운 증명 시스템으로 도전적인 크로스체인 방향(Cosmos→Ethereum 등)에서 실용적 성능을 달성하는 것이 가능한가?
• RQ5 두 계층 재귀 증명 접근법(deVirgo + Groth16)이 증명자 시간과 검증자 비용의 균형을 달성하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• zkBridge는 외부 위원회에 의존하지 않고 zk-SNARK 음향성에 기반한 신뢰할 수 없는 보안을 달성한다.
• 증명 생성을 deVirgo가 가속화하며, zkBridge 작업 부하에 대해 원래 Virgo보다 100배 이상 빠르다.
• 재귀적 Groth16 증명은 큰 deVirgo 증명을 압축하여 온체인 검증 비용을 약 80M gas에서 <230K gas로 감소시킨다.
• Cosmos→Ethereum 프로토타입은 실용적인 증명 생성 시간(20초 미만)과 실현 가능한 온체인 검증 비용을 보여준다.
• Ethereum→EVM-호환 체인 구현은 더 작은 회로 크기와 낮은 오버헤드를 보여주어 더 넓은 활용 가능성을 검증한다.
• 시스템은 다리 핵심 로직을 애플리케이션 특정 검증으로부터 분리하여 토큰 전송 및 메시지 전달과 같은 다양한 사용 사례를 가능하게 한다.