VERI-ZEXE: Decentralized Private Computation with Universal Setup

Posted 2022-11-26 mutourend

1. 引言

Espressosy团队开发了一种去中心化隐私计算系统（Decentralized Private Computation，DPC）——VERI-ZEXE，其支持universal setup。具体见Alex Luoyuan Xiong 2022年论文《VERI-ZEXE: Decentralized Private Computation with Universal Setup》。

开源代码见：

• https://github.com/EspressoSystems/veri-zexe（Rust）

为便于 与Aleo SnarkVM testnet2早期版本（不包含testnet3及之后的版本）之前的DPC模型 对比，2022年论文《VERI-ZEXE: Decentralized Private Computation with Universal Setup》第4章中，阐述了对SnarkVM的代码进行了修改，对比发现，VERI-ZEXE生成交易的速度比SnarkVM快约9倍，使用的内存少约2.6倍。

VERI-ZEXE将用于CAPE的后续版本中，在保持可配置资产隐私性的同时，可支持任意用户自定义资产策略。

2. ZEXE背景知识及不足

现有的智能合约系统，如以太坊和Solona，为Web3创新的绝佳温床。但是，这些系统均受限于隐私或（和）可扩展性。为确保公开可验证下，所有的 程序状态和状态变化都是公开透明的，牺牲了隐私，所有的（全）节点都需要重新执行所有的交易或计算，影响了扩展性。

2019年，Bowe等人提出了一种名为decentralized private computation（DPC，去中心化隐私计算）的方案：

• 用户可在链下执行任意计算，使用ZKP来向链上提交一笔交易以证明该计算的正确性。

为实例化该DPC方案，Bowe等人实现了名为ZEXE（zk-execution）的系统，可解决以上隐私性和扩展性的问题。大体上，ZEXE是“programmable ZCash”，由 单一应用系统 到 智能合约系统 过渡的同时，保留了隐私属性。

2.1 ZEXE VS. ZK-Rollup

ZEXE 链下计算、链上验证计算完整性证明，听起来与zk-rollup类似。

• ZEXE中的用户生成交易有效性证明，将交易直接发送到链上
• zk-rollup中的用户将交易发送给rollup validators，由rollup validators生成zk proof发送到链上。

从技术上说，ZEXE并不关心链下计算是如何完成的——是由单个用户，还是由多用户MPC协议，或者是以rollup-server形式完成的。为此，可认为ZEXE和zk-rollup是2种互补的方案。

2.2 ZEXE显著特性

ZEXE的显著特性有：

• 1）数据隐私以及函数隐私：ZEXE可隐藏所有函数状态，以及函数调用的输入/输出（数据隐私），以及每笔交易具体触发了哪个函数/程序（函数隐私）。即使后续有多种隐私智能合约方案，ZEXE仍是唯一可实现函数隐私的方案。
• 2）可编程性：ZEXE用户可为某record附加任意policies/predicates（所谓record，类似Bitcoin Script），record可指定相关程序状态的变更规则。Bowe等人还展示了如何在ZEXE模式下编程实现用户自定义资产、DEXes以及监管合规的稳定币。
• 3）简洁验证：链上validators无需重新执行该计算。相反，链上validators仅需验证该short transaction validity proof，无论链下计算多复杂，链上验证时间均为contant time。

现有的实现（SnarkVM testnet1 和 SnarkVM testnet2）除具有以上特性之外，还存在以下待改进之处：

• 1）circuit-specific setup：ZEXE（SnarkVM testnet1）使用类似GM17和Groth16的non-universal SNARK来证明合约执行的正确性，需要为每个应用/程序做一个trusted setup，几乎不具备实用性。
• 2）性能：具有universal SNARK的ZEXE（SnarkVM testnet2），其性能有大幅下降——由于通用SNARK验证逻辑的复杂性更高，以及ZEXE需为编码了SNARK校验逻辑的statement生成SNARK证明。

3. VERI-ZEXE: universal setup without performance loss

VERI-ZEXE：

• 在保持了原始ZEXE所有特性和属性的前提下，引入了一些优化措施，降低了universal SNARK verifier gadget的circuit复杂性。

首先，将VERI-ZEXE与ZEXE进行了对比，如以2-input-2-output交易为例，在AMD EPYC 7R13 at 2.65 GHz with 64 cores and 128 GB of RAM上的性能对比（交易生成时间（即Execute算法执行时间）、内存使用情况、交易有效性证明size）为：【交易生成速度要快将近9倍，而内存使用改进了约2.6倍。】

其次，将VERI-ZEXE与SnarkVM testnet2进一步对比，outer circuit（用于depth-2 proof composition） size要小很多，使得prover time能快一个量级，从而具有更快的交易生成：

最后，espressosys团队实现了TurboPlonk和UltraPlonk约束系统，并将其作为基石用于VERI-ZEXE中，可大幅降低约束开销。
基于TurboPlonk设计，各主要密码学基石和代数运算的PLONK约束数为：

4. VERI-ZEXE + CAPE: customizable asset policy

ZEXE仍存在一些挑战，如：

• 并发问题（当多个用户试图同时变更某共享状态）
• 原子性组合能力（在ZEXE中实现类似Flashloan这样的应用需要名为“in-bundle accumulation”技术，需要对ZEXE的record nano-kernel（RNK）进行小调整）
• 在UTXO模式下进行predicate programming的难度（现有方案，如Chialisp）

由于ZEXE存在以上问题，其并不是隐私智能合约设计的银弹，对于用户间具有最小共享状态，并采用UTXO模式的情况下，采用ZEXE可具有高并发性和低交易依赖项的优势。CAPE就是一个很好的例子。

当前，CAPE协议中仅支持预定义的资产策略集合（如，启动minting、匿名转账、冻结公钥、委托查看策略等），而不是动态的、用户自定义的资产策略。假设你想创建一种新的“concert token”，总供应量为1000，只能对指定的地址付款后才能mint，这种关联新concert token的新minting策略，超过了当前CAPE的能力范围。而未来VERI-ZEXE可使其成为可编程性可能。

参考资料

[1] VERI-ZEXE: Decentralized Private Computation with Universal Setup

附录A. Aleo的SnarkVM

Aleo的SnarkVM经历过多轮迭代：

• 1）Aleo的testnet1为S&P19论文中ZEXE的忠实实现，其需要application-specific trusted setup。
• 2）Aleo的testnet2早期版本中：将生成brith/death predicates proof的证明系统由GM17转换为Marlin，不再是application-specific trusted setup，而成为了“universal” setup。
• 3）Aleo的testnet2后期及之后版本中：改变了其原有的DPC模型，通过简化模型但限制了其可编程性（如，不允许inter-program call）。
• 4）Aleo的testnet3：采用了简化并限制后的DPC模型。