原文标题：《 IOSG Weekly Brief ｜ZK 跨链通信协议：安全低成本构建全链 DApp 的未来 》
原文作者：Yiping，IOSG Ventures
TL;DR
ZK 为跨链通信提供了一种安全，低成本的方式
跨链通信协议仍处于早期阶段，但有望允许 DApp 访问不同链上的数据
DeFi，全链 DApp 将从跨链 DApp 的发展中受益
跨链 DApp 的影响预计在未来几年内会非常大，就像全球化的影响一样。
开发人员正在努力探索构建跨链 DApp 的最佳模式
延迟，安全和成本是 ZK 跨链信息协议的主要指标
ZK 跨链协议四个主要的组件是：生成存储证明，结合存储证明和 ZKP，中继 ZKP，展开承诺
文末还提供了由本文训练的 AI，你可以提出与本文有关的任何问题。
前言
以前只有以太坊和比特币。他们拥有最多的流动性，最多的用户，最多的应用和最多的交易。2020 年后，出现了许多新的区块链，如 Avalanche，Polygon 和 BSC。
在这些链的主网推出后，我们看到了从以太坊和比特币到 ALT Chain 的范式转变。用户从以太坊转移到 ALT Chain 来寻找新的机会。开发者从以太坊转移到 ALT Chain 来分叉现有项目。这些开发者为寻求高回报的用户创造了新的机会。
以太坊曾经拥有加密货币世界中除比特币之外的所有流动性。在 2020 年底，以太坊 TVL 占比急剧下降到 60% 左右。以下是 165 个链的 TVL 数据。
今天，各大链 TVL 饼图看起来是这样的。以太坊占据了大部分的流动性。Tron 和 BSC 占据第二和第三的位置。
在将资产和流动性分散到不同的链上后，用户开始考虑如何在不同的链上管理和移动资产。资产发行者也考虑如何通过扩展到不同的链来扩展他们的用户。
跨链资产桥在 2022 年开始流行。用户不再使用 CEX 作为跨链桥，而是尝试转向去中心化的跨链桥。资产跨链桥有时会卡住，并容易受到攻击，但它更容易使用和用来转移大量资金。
然而，资产跨链桥还处于早期阶段，并且不能满足 DApp 开发者的需求。资产跨链桥只能让相同的资产在不同的网络之间流动。这对于开发者来说用处过于局限。开发者正在寻找一种更加通用的跨链方式。
跨链通信拥有强大的自定义性。开发者完全可以基于跨链通信开发全链 DApp。DApp 构建者希望在不同链之间传递消息并获取必要的区块信息。有了这些的特性，全链 DApp 的构建范式从互不通信，转向分布式的设计。在互不通信，相互独立的模型中，不同链上的 Dapp 实例无法彼此共享数据。在分布式设计中，Dapp 实例可以相互通信，并可以定期将数据同步到一个实例。该实例获取所有数据并可以修改其他实例上的参数。
借助 ZK 驱动的跨链通信，因为 ZKP 可以提供简洁的证明，它可以消耗更少的存储，将源链状态中继到目标链。此外，在目标链上验证 SNARK 证明相对便宜。ZKP 的这两个重要特性可以实现低成本的跨链消息和状态传递。在目标链上的验证源链状态可以实现 IBC 风格的跨链桥接。这大大增加了跨链的安全性。
当下
大多数区块链网络相互隔离，无法直接交换资产或 Token。跨链资产桥允许用户在不同的区块链网络之间转移资产或 Token 。
随着 Wormwhole、cbridge 和 Stargate 等项目的推出，跨链资产桥的概念在过去几年开始受到关注。这些项目旨在创建可互操作的区块链桥，用户可以无缝地交换资产和 Token 。
跨链资产桥无法满足开发者的需求。开发人员正在寻找一种更通用的跨链方法，即跨链消息协议。为了满足开发者的需求，这些跨链桥大多都有自己的跨链消息协议，例如 Celer IM、LayerZero、Multichain 的 anyCall、Connext 的 xcall。他们提供了类似这样的 API
跨链消息通信协议是基于其跨链资产协议实现的。通过一些修改，这些跨链资产协议现在可以在链之间传递消息。这使得他们很难为跨链消息协议实现定制功能，因为整体设计需要兼容跨链资产转移。它们缺乏构建跨链应用程序的一些关键功能，例如将消息从一条链广播到不同链上的所有其他部署合约。这使得开发人员很难构建实用的全链 DApp。
跨链消息通信协议仍处于早期阶段。没有大型全链 DApp 完全建立在这些跨链通信协议之上。
为什么需要 ZK？
虽然这些跨链桥带来了很多便利好，例如提高资金利用率和改善用户体验，但它们也带来了安全风险。针对跨链桥的攻击给用户造成了巨大的经济损失。这使得安全性成为跨链桥开发的重中之重。这些攻击使用户损失了超过 15 亿美元。
一年内，跨链桥在黑客事件中的总损失约为 13 亿美元。跨链桥的使用手续费用在 5 左右。Multichain 是跨链桥中的头部项目。Multichain 的 30 天交易量为 $ 1.7 B，手续费收入为 $ 635 K。那么一年的交易量约为 204 亿美元，手续费收入为 760 万美元。按照这样预估，跨链桥市场的手续费总收益远小于被黑客盗走的资金。
通过验证源链区块头，ZKP 跨链消息协议可以缓解部分安全问题。用户可以直接在目标链上访问源链证明并自行验证证明。如果没有 ZKP，这将很难做到。在传统项目中，这种验证成本太高，用户无法承受。
设计
在这一部分，我们将讨论 ZKP 是如何实现低成本，安全的跨链信息通信。
将 ZKP 用来中继消息的想法很直观，但详细设计可能很复杂。整个工作流程可以分解为以下步骤：
决定将哪些数据传递给目标链
获取存储证明（证明数据存在 EVM 存储中）
根据存储证明生成 ZK 证明
将 ZK 证明从起始链传递到目标链
在目标链上展开 ZK 证明
在目标链读取跨链信息
生成存储证明
大多数 EVM 兼容链都提供了这个功能。一旦用户明确了存储槽位，他们就可以使用 RPC 调用此方法来生成存储证明。
EVM 兼容链使用 Merkle Tree 来存储账户和数据。这使得创建 Merkle Proof 来验证这些数据变得相对简单。
Merkle Tree 是计算机科学中使用的一种数据结构。在密码学和区块链中的使用较多。它以其发明者 Ralph Merkle 的名字命名，也被称为二叉哈希树。Merkle Tree 背后的基本思想是将大量数据分成较小的部分，对每个部分进行哈希处理，然后组合哈希值以形成单个根哈希值。此根哈希充当整个数据集的指纹，允许对数据的完整性进行高效和安全的验证。
在区块链中，Merkle Tree 用于汇总和验证区块中的交易。每笔交易都经过哈希处理并添加到树中，哈希值以特定方式组合形成单个根哈希值，然后添加到区块头中。这允许以一种高效且安全的方式来验证区块中大量交易的有效性，而无需单独验证每个交易。如果交易中的任何数据发生变化，根哈希也会发生变化，表明数据已被篡改。
Merkle 证明，也称为 Merkle path，是一种密码学证明，证明特定数据包含在 Merkle Tree 中。Merkle Tree 证明提供了一种验证交易或其他数据真实性的方法，而无需下载和验证整个 Merkle Tree。
在 Merkle 证明中，用户提供了从 Merkle Tree 底部到根哈希的一系列哈希，以及要验证的具体数据。通过从特定数据开始并沿着树向上，接收者可以计算根哈希并将其与存储在块头中的根哈希进行比较。如果计算出的根哈希值与存储的根哈希值匹配，则接收者可以确信特定数据包含在块中并且未被更改。
Merkle 证明是确保区块链网络的效率和可扩展性的重要组成部分。通过允许在无需下载和验证整个 Merkle Tree 的情况下验证特定数据。Merkle Proof 减少了需要传输和处理的数据量，从而提高了网络的整体性能。
结合存储证明和 ZKP
将整个存储证明发布到目标链上是不切实际的，因为它太大了，大约 4 kb。对于证明进行验证也很昂贵。在以太坊上进行验证需要 600 k gas。如果 gas 价格为 30 gwei，则总费用为 0.018 ETH（30 美元）。
在这种情况下，ZKP 可以提供压缩和可组合性。开发者可以基于 Merkle Tree Proof 创建 ZKP。这可以大大减少证明的大小，并且使证明更容易验证。验证 Plonk 大约需要 290 k gas。如果 gas 价格为 30 gwei，则总费用为 0.009 ETH（15 美元）。一次 Groth 16 验证使用了大约 210 k gas。如果 gas 价格为 30 gwei，则总费用为 0.006 ETH（10 美元）。
借助可组合性，开发人员甚至可以将不同的存储证明组合到一个 ZKP 中以节省资源。
中继 ZKP
为了安全地将相关承诺，如状态根或相关的 ZKP 传递到目标链，我们需要设计一个共识机制。
中继 ZKP 有 3 种常见的方式：
消息传递：使用一些消息传递协议传递 ZKP，并通过 OP CODE 获得相关承诺
共识验证：通过运行共识算法来验证相关承诺
Optimistic MPC relayer：部分思路与我们在很多跨链资产桥和 OPRU 设计中看到的类似。初始链和目标链之间有一个委员会。委员会的参与者决定中继承诺的有效性。任何人都可以挑战有效性。但是当挑战发生时，桥不能像 Rollup 那样回滚。需要一组单独的挑战者真正阻止恶意消息的传递。在这种情境下，挑战成本高，且延迟高，因为这涉及不断将根哈希和所有 CALL DATA 上传到初始链。并且它也只能以点对点的方式工作。
中继 ZKP 最为重要的是以下因素：
延迟
成本
信任
链下计算
消息传递的延迟相当高，因为消息传递需要时间来确认。在区块产生后，用户才能确认传递成功。在成本方面，消息传递需要与两个链进行交互，因此比较高。这种方式需要的信任较少，因为安全性等同于链的安全性。这种方式没有进行任何的链下计算。
共识验证是一种可行的方法。它与信息传递具有类似的延迟，信任假设和成本。然而，它必须在链外验证签名。这引入了大量链外计算的开销。但共识验证今天也可以通过 ZKP 完成。
Optimistic MPC relayer 牺牲了一些信任，但获得了更低的延迟。用户只需要将交易发布到中继器网络。具体的延迟取决于具体的 optimistic MPC relayer 机制。挑战期可能会导致更大的延迟。用户需要对中继网络有最小的信任。这种方式没有大量的链外计算，但需要在中继网络中进行通信和欺诈证明。
展开承诺
在得到承诺后，目标链上的用户可以展开承诺，访问初始链过去的状态。
三种常见的展开方式是：
链上积累
链上压缩
链下压缩
链上积累是一种在区块链网络中展开承诺的方法。在这种方法中，从承诺中重新创建区块头的整个过程直接在区块链上执行。正确编码的区块头作为交易中 CALL DATA，由区块链来执行计算。这种方法的好处是在证明时间方面没有额外开销。并且延迟很低，因为证明不需要在区块链之外进行验证。然而缺点是成本可能很高，因为计算可能是消耗很多资源。
链上压缩是一种减少需要存储在区块链上数据量的方法。它用于最小化在区块链上存储大量数据的成本。链上压缩背后的想法是使用压缩算法来减小数据的大小，从而减少它在区块链上占用的空间。这可以通过从数据中删除冗余或不必要的信息，或使用针对空间效率优化的数据结构来完成。然后将压缩后的数据存储在区块链上，需要使用时可以解压。
链上压缩具有降低存储成本和提高区块链可扩展性的优势。但是，它也有一些缺点。例如，压缩和解压缩数据的过程在计算上可能很昂贵，这会增加区块链的延迟。此外，所使用的压缩算法可能会对数据的安全性产生负面影响，因为它可能容易受到篡改或攻击。
链下压缩和链上压缩类似。
下面是这三种方法的对照表：
相关项目
很多 ZK 桥项目希望能提高不同链的互操作性，降低潜在的黑客风险。
这一领域有很多项目，例如：
Succinct Labs
Lagrange
zkBridge
Herodotous
=nil; Foundation
Succinct Labs 使用轻客户端方法。它使用轻客户端在目标链验证起始链共识层的共识。ZKP 用于生成共识证明。
Lagrange Labs 构建非交互式跨链状态证明。Lagrange Attestation Network 负责创建状态根。每个 Lagrange Node 都包含一部分分片私钥，用于证明特定链的状态。每个状态根都是一个阈值签名的 Verkle Root，可用于证明特定链在特定时间的状态。状态根是完全通用的，可以在状态证明中使用，以证明链中任何合约或钱包的当前状态。
Herodotus 使用 ZKP 的存储证明来为智能合约提供对来自以太坊的链上数据的访问。它有一个 MPC Optimistic Relayer 来中继承诺。它采用链下压缩，在链下展开中继的区块链标头并创建证明。
zkBridge 使用 MPC 中继网络生成区块头的 ZKP 并将其中继到目标链。它使用 deVrigo 和递归证明来实现非常快的证明时间，但 MPC 部分有较高的复杂度。
第一个用户发起跨链消息请求。初始链中的发送者接着将区块头转发到中继网络。中继网络中的验证者生成区块头的证明，并将其传递给更新合约。更新合约验证证明后，接受证明。更新合约将证明转发给接收者，接收者将其转发给目标链中的应用程序和用户。
=nil; Foundation 也致力于 ZK 跨链消息协议。它使开发人员能够在以太坊上访问 Mina 的状态。他们在 2021 年底推出了一个演示，可以在以太坊上验证 Mina 状态。该基础设施允许以太坊上的智能合约验证 Mina 状态的有效性。有了这个基础设施，智能合约就有能力识别无效的跨链交易。
Mina 有自己的状态证明，但在以太坊上验证它们的成本很高。=nil; Foundation 使用自己的 Placeholder 证明系统来生成辅助状态证明，这种证明在以太坊上验证起来很便宜。该基础设施使以太坊智能合约能够完全在链上验证 Mina 状态证明。未来跨链应用可以直接通过这个基础设施来验证跨链交易的合法性。
一个基于此的资产跨链桥将包含以下几个步骤：
跨链桥在 Mina 上锁定 $Mina
此基础设施生成 Mina 状态证明
此基础设施将 Mina 状态证明提交至以太坊上
以太坊链上合约验证状态证明的有效性
以太坊链上合约接收并存储 Mina 状态证明，如果证明有效
跨链桥在以太坊链上检验 Mina 和交易状态，释放 $WMINA
后来 =nil; Foundation 正在努力解决单向性问题。之前的 demo 中只支持单向的跨链通信。现在他们理论上支持双向桥接。初始链上的状态证明将在 Placeholder 证明系统中生成，并再次用 Kimichi 证明系统生成一个证明。然后再将证明提交给 Mina 验证者。验证者会将起始链状态证明视为 Mina 原生 zkApp 生成的证明。
=nil; Foundation 还发布了 Proof Market。用户/项目方在其中购买/出售大部分 SNARK 证明。目前有两种交易对，ARITHMETIC-EXAMPLE 和 MINA-STATE。
这是这些项目的详细比较：
应用场景
借助基于 ZK 的跨链消息中继协议，开发者可以轻松地将应用扩展到不同的区块链。
过去，合约部署主要集中在一条链上。当扩展到另一个链时，必须重新部署应用程序。使用基于 ZK 的跨链消息中继协议，将实现从单链应用到跨链应用的范式转变。大型项目可以轻松扩展到不同的链。这将产生与全球化类似的效果。我们希望看到更多的国际公司或大型跨链 DApps。
低延迟/实时和低成本的跨链消息中继协议将打开具有多种可能性的市场。DeFi、DID，治理和开发将从中受益
DeFi
DeFi 可以从中获益良多。跨链消息中继协议可以帮助 DeFi 产品整合来自不同链的流动性。
DEX、跨链交易和聚合器可以提供更好的用户体验、更低的滑点和更高的交易对流动性。不同链上的同一个交易对将有一个统一的流动性池。不同链 DEX 之间的价格差异会更小。DEX 显然可以聚集更多的流动性并提供堪比 CEX 的用户体验。
Farming 可以有更灵活的策略。他们现在可以在不同的链上寻找更多的获利机会。
借贷协议可以与不同链上的更多 DeFi 协议合作，并接受更多不同链上不同 Token 的存款。
链上衍生品将在流动性方面受到很大益处。通过安全的跨链通信，衍生品市场可以接触到更多不同链上的潜在客户，并且聚集更多的流动性。这可以提供更好的交易体验。
资金管理应用可以访问更多来自不同链上的资产。他们还可以访问来自不同链上的衍生品。这使理财经理可以使用更多的投资策略。
应用链
应用链 或 自定义 Rollup 为 Dapps 提供了更多的自由。Dapp 开发人员可以自定义应用链以满足他们自己的需求，例如性能或一些技术特性。Dapp 开发人员还可以自定义手续费结构以激励用户。Cosmos 上有很多应用链，因为 Cosmos 具有更好的互操作性。ZK 支持的跨链协议将是连接非 Cosmos 应用链与 EVM 或 layer 2 生态系统的更好工具。许多正在开发的 Rollup SDK 可以受益于 ZK 支持的跨链协议。
Cosmos 生态在 APP 链上领先于其他所有主要生态。Cosmos 在跨应用链共享安全方面取得了良好进展。ZKP 可能会促进 Cosmos 生态系统的扩展。Composable finance 正在努力将 Cosmos 扩展到 Polkadot 和 NEAR。Electron Labs 和 zkBridge 正在将 Cosmos 带到以太坊。
利用不同链的特性
没有一条区块链是完美的。它们以牺牲其他功能为代价为一个目的而优化。借助跨链消息传递协议，开发人员可以利用每个区块链的优势并避免其缺点。
DApp 开发人员可以在不同的链中部署他们的 DApp 组件。例如，由于计算费用低，某些链可能是计算的不错选择。一些链可能针对隐私进行了优化，这将作为 Dapp 的隐私功能。有些链可以托管文件，有些则适合提供前端。跨链消息传递协议可以将这些组件粘合在一起，并允许开发人员充分利用每个区块链。
总结
ZKP 为跨链通信提供了一种全新的方式。它虽然不能完全解决传统跨链桥的安全问题，但借助 ZKP 的力量，安全的跨链消息通信现在大大降低了成本。证明的大小比以前小得多。链上验证成本也降低了很多。能够在目标链上验证源链状态，可以实现类似 IBC 式的共享安全性。在过去是不可能低成本的实现的。
ZK 跨链通信协议赋予不同链上协议互相交流的能力。开发者能够基于 ZK 跨链协议开发全链 DApp。DeFi，应用链将从中受益。
跨链通信协议仍处于起步阶段。开发人员正在努力开发这些协议，诸如如何在不同链之间实时同步状态等问题仍然没有解决。调试跨链 DApp 也可能很痛苦。开发者在探索构建跨链 Dapp 的最佳模式，我们将在未来几年看到跨链 Dapp 的影响。作为连接不同区块链的跨链通信协议，它将与全球化一样具有影响力。
