Zero Knowledge Rollup(ZK-rollup)

ZK-rollup은 이더리움 네트워크가 더 나은 확장성, 낮은 가스비 및 더 빠른 트랜잭션 시간을 달성하도록 돕기 위해 설계된 레이어 2 스케일링 솔루션입니다. 이 솔루션은 오프체인에서 실행한 다수의 트랜잭션을 하나의 배치(batch)로 압축하여 최소한의 요약 데이터만 이더리움 메인넷에 저장합니다. 이때 요약된 데이터에는 새로운 오프체인 상태 루트와 유효성 증명이 포함되어 있으며, 이 유효성 증명만 검증하면 배치 속의 모든 트랜잭션의 유효성을 판단할 수 있습니다. 이를 위해 세 가지 주요 구성요소가 필요합니다.

ZK-rollup components

• Operator: 오퍼레이터는 다수의 트랜잭션을 수집하여 하나의 배치(batch)로 만드는 역할을 합니다. 또한 오프체인 가상머신에서 트랜잭션을 처리하면 새로운 오프체인 상태 루트와 생성된 유효성 증명을 온체인 스마트 컨트랙트에 전송합니다.
• Off-chain Virtual Machine (VM): 오프체인 가상머신은 이더리움 가상머신(EVM)과 유사한 방식으로 번들 트랜잭션을 실행합니다. 이를 통해 오프체인에서 복잡한 계산과 상태 업데이트를 수행하여, 이더리움 메인넷의 계산 부하를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 오프체인 가상머신은 배치 트랜잭션에 대한 유효성 증명을 생성합니다.
• On-chain Smart Contract: 이 구성요소는 오프체인 가상머신과 이더리움 메인넷의 징검다리 역할을 합니다. 유효성 증명을 담은 트랜잭션을 수신하고 이 유효성 증명을 검증한 후 온체인 상태를 업데이트합니다. 이를 통해 유효한 트랜잭션만 온체인에 기록됩니다.

EVM Compatibility of ZK-rollup

ZK-rollup은 확장성 및 보안 측면에서 큰 이점을 제공하지만 낮은 EVM 호환성을 갖고 있습니다. 이러한 제한된 EVM 호환성은 영지식 증명 생성의 복잡성 때문입니다. 특정 EVM 작업, 특히 동적 데이터 구조, 반복문 또는 복잡한 산술과 관련된 작업은 영지식 증명 회로에 적합하지 않습니다. 그렇기 때문에 ZK-rollup은 EVM의 모든 기능을 지원하는 것이 어려우며, 범용적인 스마트 컨트랙트 및 DApp을 만드는데 제한이 될 수 있습니다. 이러한 한계를 극복하고 EVM 호환성을 향상시키기 위해 ZK-rollup의 확장으로 zkEVM이 제안되었습니다.

zkEVM

zkEVM은 EVM 호환 스마트 컨트랙트를 위한 오프체인 실행 환경을 만들어 ZK-rollup의 EVM 호환성을 향상 시키려는 ZK-rollup의 확장 솔루션입니다. zkEVM에서 오프체인 가상 머신은 EVM 바이트 코드를 직접 실행하도록 설계되어 기존 이더리움 스마트 컨트랙트와 원활한 통합이 가능합니다.

ZK-rollup과 마찬가지로 zkEVM은 여러 트랜잭션을 단일 배치로 묶고 오프체인에서 처리합니다. 오프체인 가상머신은 일괄 트랜잭션 실행, 유효성 증명 생성 및 오프체인 상태 업데이트를 담당합니다. 그런 다음 유효성 증명은 검증을 위해 온체인 스마트 계약에 제출되고, 유효성이 확인되면 그에 따라 온체인 상태가 업데이트됩니다.

zkEVM components

zkEVM은 EVM 호환성 및 확장성을 달성하기 위해 오프체인 실행 환경을 활용하여 트랜잭션을 처리합니다. 이 오프체인 환경은 아래의 세 가지 주요 구성 요소(실행 환경, 증명 회로 그리고 검증자 컨트랙트)로 이루어져 있습니다.

1. The execution environment

   zkEVM 실행 환경은 EVM과 유사하면서 영지식 증명을 위해 최적화하도록 설계되었습니다. EVM과 유사한 스택 기반 아키텍처를 사용하지만 ZK-rollup 증명 생성이 가능한 오프체인에서 스마트 컨트랙트를 실행합니다. 개발자는 이러한 환경을 통해 ZK-rollup의 확장성을 활용하면서 오프체인으로 실행할 수 있는 EVM 호환 스마트 컨트랙트를 생성하고 배포할 수 있습니다.

2. The proving circuit

   실행 환경에서 트랜잭션을 처리한 후 증명 회로는 전체 트랜잭션 배치에 대한 영지식 증명을 생성합니다. 이 증명은 트랜잭션 실행으로 인한 오프 체인 상태의 유효성과 일관성을 증명합니다. 증명 회로는 영지식 증명을 사용하므로 트랜잭션 세부 정보를 공개할 필요 없이 효율적이고 안전한 검증이 가능합니다.

3. The verifier contract

   검증 회로에서 생성된 유효성 증명은 검증을 위해 온체인 검증자 계약에 제출됩니다. 검증자 계약은 새로운 상태 루트로 온체인 상태를 업데이트하기 전에 현재 온체인 상태와의 증명의 유효성 및 일관성을 확인합니다. 이때 검증자 계약은 유효한 트랜잭션만 이더리움 네트워크에 기록되도록 합니다.

Advantages of zkEVM

zkEVM은 이더리움 네트워크의 다른 스케일링 솔루션에 비해 다음과 같은 이점을 제공합니다.

1. Secure Scalability

   zkEVM은 온체인 보안을 그대로 유지하면서 오프체인 트랜잭션 처리를 하기 때문에 안전한 확장성을 제공합니다. 또한 영지식 증명을 사용하여 유효한 트랜잭션만 이더리움 네트워크에 기록되기 때문에 네트워크의 보안과 무결성이 유지됩니다.

2. Cheaper Costs

   zkEVM은 트랜잭션을 오프체인으로 처리하여 트랜잭션 비용을 크게 줄입니다. 오프체인에서의 처리는 가스비를 크게 줄여 사용자가 이더리움 네트워크에 더 저렴하게 참여할 수 있도록 합니다. 또한 영지식 증명을 사용하면 트랜잭션 확인과 관련된 계산 오버헤드 및 가스비가 줄어듭니다.

3. Fast Finality and Capital Efficiency

   사기 증명(Fraud proof) 방식을 이용하는 옵티미스틱 롤업(Optimistic rollup)에는 트랜잭션이 올바른지에 대한 분쟁 기간이 존재하는데, 이 때문에 긴 finality 시간을 갖습니다. 반면에 ZK-rollup은 영지식 증명 방식을 사용하여 트랜잭션의 영지식 증명을 검증하는 순간 유효성이 결정되기 때문에 매우 빠른 finality 시간을 갖습니다.

4. Network Effects

   EVM 호환성을 제공함으로써 zkEVM은 기존 이더리움 스마트 계약 및 dApp과의 원활한 통합을 가능하게 하여 상당한 네트워크 효과를 제공합니다. 이 통합을 통해 개발자는 Ethereum 네트워크에서 새로운 애플리케이션과 서비스를 더 쉽게 만들고 배포하여 생태계를 더욱 확장할 수 있습니다.

Drawbacks of zkEVM

위의 장점만 나열해보면 zkEVM은 마치 만능 솔루션과 같아 보입니다. 하지만 zkEVM에도 단점은 존재합니다.

1. Opcode codes

   zkEVM의 고유한 아키텍처로 인해 모든 EVM opcode를 지원할 수 있는 것은 아닙니다. 상대적으로 잘 사용되지 않는 opcode 중 일부는 zkEVM과 호환되지 않습니다. 즉, zkEVM 몇몇 특수 opcode를 사용합니다.

2. Stack-based architecture

   EVM은 영지식 증명 회로에서 효율적으로 구현하기 어려울 수 있는 스택 기반으로 설계되었습니다. 영 지식 증명 회로는 계산 복잡도가 높아 스택 기반의 시스템에서는 증명 비용이 높아지고 트랜잭션 처리 시간이 느려질 수 있습니다.

3. Storage overhead

   다른 오프체인 솔루션과 마찬가지로 zkEVM은 오프체인 상태를 저장하기 위한 추가 저장 공간이 필요합니다. 이 스토리지 오버헤드는 상당할 수 있으며 효과적으로 유지 관리하고 확장하려면 추가 리소스가 필요할 수 있습니다.

4. Proving costs

   영지식 증명을 사용하면 여러 가지 이점이 있지만 증명 과정에 비용이 듭니다. 영지식 증명 생성 및 검증은 많은 계산이 요구되는 작업이 될 수 있으며, zkEVM과 관련된 트랜잭션 처리 시간 및 가스 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다.

이러한 한계는 zkEVM의 기능과 효율성에 영향을 줄 수 있습니다. 최근에는 여러 프로젝트에서 이런 단점들을 해결하려고 노력하고 있습니다.

zkEVM Projects

1. Polygon zkEVM

   폴리곤은 zkEVM 구현에 특화된 맞춤형 opcode를 설계하여 opcode 코드를 최적화하는 데 중점을 두었습니다. 이러한 맞춤형 opcode는 회로의 복잡성을 줄이기 위해 설계되어 보다 효율적인 증명 및 검증 프로세스를 제공합니다. 또한, 폴리곤은 스택의 깊이를 줄이기 위해 중간 상태 표현을 도입하여 스택 기반 아키텍처를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

2. zkSync

   zkSync는 “Sparse Merkle trees”라는 기술을 활용하여 스토리지 오버헤드 문제를 해결하는 프로젝트입니다. 이를 통해 계정 및 컨트랙트 데이터를 보다 효율적으로 저장할 수 있을 뿐만 아니라 상태를 더 빠르게 업데이트할 수 있습니다. 또한, “cryptographic accumulator”를 사용하여 컨트랙트의 바이트코드가 주어진 주소에서 올바르게 로드되었는지 증명하고 스토리지의 정확성을 검증합니다.

3. Scroll

   Scroll은 주로 개인 정보 보호에 초점을 맞추고 영지식 증명을 활용하는 개인 정보 보호 저장 메커니즘을 구현하여 저장 오버헤드 문제를 해결합니다. 이를 통해 프라이버시를 유지하면서 데이터를 효율적으로 저장할 수 있습니다. opcode 코드 및 스택 기반 아키텍처 문제를 해결하기 위해 Scroll은 특수한 회로를 설계하고 혁신적인 기술을 채택하여 전체적인 시스템의 복잡성을 줄이기 위해 노력하고 있습니다.

4. Applied ZKP

   Applied ZKP는 zkEVM을 포함한 영지식 증명 기술의 실용적인 응용 프로그램을 연구하고 구현하는 데 전념하는 프로젝트입니다. Applied ZKP는 상태 증명(state proof)과 EVM 증명(EVM proof)이라는 두 가지 유효성 증명을 사용하여 컴퓨팅과 스토리지를 분리하고 버스 매핑을 사용하여 이 두 증명을 연결합니다. 또한, Applied ZKP는 opcode 코드의 효율성을 개선하고 스택 기반 아키텍처를 간소화하며 스토리지 오버헤드를 줄이고 증명 비용을 낮추기 위해 새로운 알고리즘, 도구 및 라이브러리를 개발하고 있습니다.

Conclusion

앞서 살펴본 것처럼 zkEVM은 이더리움 네트워크가 직면한 확장성 문제를 해결할 수 있는 유망한 솔루션 중 하나입니다. 아직은 zkEVM은 개발 단계의 기술이지만 이더리움 생태계를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 블록체인의 대중화를 가져올 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 레이어 1 솔루션인 sharding과 함께 적용되었을 때 그 시너지가 엄청날 것으로 기대됩니다.