[论文解读] 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 20

一句话总结

zkBridge 提供一个无信任、可扩展的跨链桥，使用简明的 zk-SNARK 证明，使 Cosmos↔Ethereum 桥接成为现实，显著降低链上验证成本。

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.

研究动机与目标

• 在不依赖受信任委员会的情况下激励安全的跨链互操作性。
• 开发一个将轻客户端验证与应用逻辑分离的模块化桥架构。
• 设计并实现一个两层递归证明系统，以在证明生成时间和链上验证成本之间取得平衡。
• 通过 Cosmos→Ethereum 原型展示其实用性并评估性能和可扩展性。

提出的方法

• 提出 zkBridge，使用区块头中继网络、更新者合约和应用合约来通过 zk-SNARK 证明中继和验证远程区块头。
• 引入 deVirgo，这是 Virgo 的分布式版本，利用数据并行性在多台机器上加速证明生成。
• 使用 Groth16 递归压缩大型 deVirgo 证明，以实现小而快速的链上验证。
• 提供两层递归：deVirgo 用于快速证明生成，Groth16 在链上验证 deVirgo 证明。
• 实现端到端的 Cosmos→Ethereum 原型以及一个 Ethereum→EVM 兼容链的变体以评估其实用性。
• 证明证明生成时间在 20 秒以下，且链上Gas成本在 230k gas 以下。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖中央委员会的情况下，是否可以构建一个无信任的跨链桥并保持高安全性？
• RQ2 如何使用 zk-SNARKs 并优化以将大规模跨链证明的链上验证成本降到最低？
• RQ3 什么样的体系结构设计能够在通用桥之上实现灵活的应用特定逻辑？
• RQ4 是否可实现对具有挑战性的跨链方向（例如 Cosmos→Ethereum）的实际性能，使用新颖的证明系统？
• RQ5 两层递归证明方法（deVirgo + Groth16）在平衡证明者时间和验证方成本方面的有效性如何？

主要发现

• zkBridge 基于 zk-SNARK 的健全性实现无信任的安全性，而无需依赖外部委员会。
• 证明生成通过 deVirgo 加速，针对 zkBridge 工作负载的速度比原始 Virgo 快上 100 倍以上。
• 递归 Groth16 证明压缩了大型 deVirgo 证明，将链上验证成本从 ~80M gas 降低到 <230K gas。
• Cosmos→Ethereum 原型展示了实用的证明生成时间（在 20 秒以下）和可行的链上验证成本。
• 以太坊→EVM 兼容链的实现显示了更小的电路规模和更低的开销，验证了更广泛的适用性。
• 系统将桥接核心逻辑与应用特定验证分离，使如代币转移和消息传递等多种用例成为可能。