arkanaBlockchain 101: ZK en Blockchain
Este artículo es parte de una serie más larga sobre Blockchain. Si este es el primer artículo que encuentras, te recomiendo comenzar por el inicio de la serie.
Después de cuatro artículos sobre Polkadot, creo que sería bueno descomprimir un poco abordando una pregunta más general, en lugar de comprometernos tanto con una sola tecnología de nuevo.
Supongo que fue bastante información, después de todo. ¡Perdón!
Hoy, quiero que exploremos una de las áreas más avanzadas de investigación y desarrollo en criptografía en los últimos años: Pruebas de Conocimiento Cero, usualmente referidas simplemente como ZK (por sus siglas en inglés).
Esta tecnología ha estado haciendo ruido en el espacio de Blockchain por algún tiempo. Incluso la hemos cubierto brevemente en nuestro pasaje por rollups. Así que si has estado siguiendo la serie, muy probablemente ya tengas una idea de qué se trata esto.
Pero hoy, haremos doble clic en lo que significa esta palabra de moda, cómo se usa exactamente, y luego presentaremos algunos ejemplos de aplicación — algunos de ellos más familiares, algunos de ellos bastante salvajes y exóticos.
Ponte cómodo, y vayamos a la acción.
¿Qué es ZK?
Antes de ver las aplicaciones, debemos ser precisos sobre qué es ZK, y aclarar algunas ideas erróneas comunes — quizás más interesantemente, alrededor del hecho de que el concepto de "conocimiento cero" es a menudo malentendido.
Las pruebas de conocimiento cero son protocolos criptográficos que permiten a un probador convencer a un verificador sobre la validez de alguna afirmación mientras no revela información alguna además de la verdad de la afirmación misma.
Un ejemplo simple sería probar que mi edad es mayor a 21, pero sin revelar mi edad.
Cuando lo decimos así, suena bastante mágico y esotérico. Pero en realidad, el problema es que estamos aprendiendo sobre esto al revés — hay una manera de abordar estas ideas desde una perspectiva más familiar y práctica. Esa manera es hablar sobre computación verificable.
Computación Verificable
Imaginemos que tenemos un programa , y queremos verificar que fue ejecutado correctamente para un conjunto dado de entradas , resultando en alguna salida . Algo como:
La manera trivial de hacer esto es simplemente procesar el cómputo, y verificar si los resultados coinciden — pero esa no es la única manera.
Verás, algunas técnicas inteligentes nos permiten codificar información sobre el cómputo, de manera que podemos verificar su validez con mucho menos esfuerzo computacional, a costa de admitir una muy baja probabilidad de aceptar una prueba falsa.
Tales sistemas se conocen como argumentos de conocimiento. Se basan en varias técnicas de las que no tendremos el lujo de hablar hoy, porque eso tomaría mucho más tiempo que un solo artículo.
He escrito algunas cosas sobre esto en mi serie Cryptography 101, ¡así que podrías querer revisar eso! No te preocupes sin embargo — cubriremos lo que necesitas saber aquí.
Sin embargo, lo que acabamos de decir es suficiente para ser más precisos sobre esto del conocimiento cero: si tus argumentos de conocimiento resultan no revelar información alguna sobre las entradas al cómputo, entonces obtienes una prueba de conocimiento cero. Lo que significa que es una propiedad que estos argumentos pueden tener — y no un requisito estricto.
En su lugar, los argumentos de conocimiento requieren satisfacer otras dos propiedades, llamadas completitud y solidez (o robustez): la primera significa que las pruebas válidas siempre serán aceptadas, y la segunda significa que las pruebas falsas son realmente, realmente difíciles de crear.
Incluso existe la noción más precisa de solidez de conocimiento, que en términos generales significa que es muy improbable que una prueba pueda ser creada sin conocimiento de cierta información. La definición misma es más compleja, y requiere que definamos un extractor eficiente, así que omitiremos esos detalles técnicos.
¿Y qué con el Conocimiento Cero?
A la luz de esto, uno debe preguntarse: ¿cuándo es el conocimiento cero algo de lo que deberíamos preocuparnos?
La verdad sea dicha, no siempre nos preocupamos por ZK. De hecho, a veces estamos más interesados en otras propiedades de los argumentos de conocimiento — particularmente alrededor de qué tan pequeñas pueden ser las pruebas, o qué tan rápido pueden ser verificadas.
Solo cuando la privacidad de datos es de la máxima importancia, es que ZK será ventajoso. En el contexto de Blockchain sin embargo, estamos principalmente interesados en las otras propiedades que acabamos de mencionar. Todo esto para decir: el término ZK es usualmente sobreutilizado (o incluso mal utilizado) porque ayuda con los esfuerzos de marketing, pero que sepas que la computación verificable es lo que nos interesa más a menudo.
¡Muy bien! Con eso en mente, averigüemos cómo ZK (o la computación verificable) se usa en Blockchain.
Aplicaciones en Blockchain
En términos generales, las aplicaciones ZK en el espacio de Blockchain pueden dividirse en tres categorías amplias:
- Escalabilidad: Usando computación verificable para comprimir operaciones costosas en cadena.
- Privacidad: Usando conocimiento cero real para ocultar información sensible.
- Enfoques Híbridos: Combinando ambas cosas para casos de uso más complejos.
Abordaremos las aplicaciones más o menos en este orden, comenzando con las discusiones ya algo familiares alrededor de escalabilidad.
Escalabilidad
Como un breve repaso, toda la discusión cuando hablamos sobre ZK rollups giraba en torno a poder acumular transacciones fuera de cadena, luego realizar cómputos para avanzar algún estado, y hacer que la capa 1 verifique esas computaciones on-chain.
Así que acá te va una pregunta: ¿crees que nos preocupa el conocimiento cero en este caso?
Bueno, en términos generales, no — nos preocupamos más por verificación rápida (y barata). La privacidad podría ser importante siempre que el rollup tenga un estado privado, y quisiera mantenerlo así — pero eso es más fácil decirlo que hacerlo.
Por lo tanto, nuestro enfoque estará en la verificación rápida.
Las Blockchains son sistemas con estado. Ya conoces el procedimiento: tienen un estado global, que evoluciona gracias a que la red procesa transacciones (o entidades similares, como en JAM). En otras palabras, pueden ser descritas por una función que toma tanto el estado inicial como un conjunto de transacciones, y produce el siguiente estado.
Ejecutar esta función requiere cómputo — y esto es particularmente importante porque cada nuevo estado necesita ser validado para ser aceptado. ¿Y cómo validamos? Ya sea re-ejecutando todo, o verificando alguna prueba de que el cómputo de transición de estado fue realizado correctamente.
Claramente, estamos interesados en la última opción. Buscamos soluciones que nos ayuden a realizar una validación rápida — así que algo en las líneas de SNARKs o STARKs. Y como ya sabemos, el principal atractivo de este enfoque es ahorrar costos cuando los validadores de capa la 1 verifican el estado de un rollup.
Un momento. Estamos hablando de rollups y validación. Pero... ¿No se necesita validación también en las Blockchains de capa 1?
Validación en Capa 1
¡Exactamente!
Las Blockchains L1 ya tienen mecanismos incorporados para mantener la validación rápida y eficiente. De hecho, discutimos los métodos disponibles un par de artículos atrás. Las pruebas ZK eran parte de la lista de posibilidades.
Sin embargo, aunque extremadamente poderosos y versátiles, los argumentos de conocimiento no son infalibles. Una limitación particularmente molesta que tienen es que aunque la verificación puede ser rápida, el paso de generación de pruebas es usualmente computacionalmente intensivo, tomando mucho tiempo, y recursos considerables.
Pensemos en las consecuencias de esto por un segundo. Imaginemos que un validador está proponiendo un bloque. Querrían generar una prueba para que luego otros validadores puedan hacer una verificación rápida. ¿Qué pasa si tardan demasiado en producir tal prueba?
Lo adivinaste — ¡se convierten en un cuello de botella para todo el proceso!
En general, el paso de generación de pruebas es el principal desafío a abordar si pretendemos que esta tecnología gane adopción como reemplazo para las estrategias de validación actuales. Aunque prometedor, la tecnología no está lista todavía, con la generación de pruebas siendo aún bastante lenta (al momento de escribir esto).
Algunas ideas experimentales ambiciosas como la iniciativa Beam chain de Ethereum están explorando la posibilidad de incorporar ZK en la mezcla, y en más lugares que solo la validación de estado — por ejemplo, la agregación de firmas es otra área donde las pruebas ZK podrían ser útiles.
Privacidad
Ahora enfoquemos nuestra atención en las aplicaciones "reales" de conocimiento cero.
La privacidad en Blockchain no es un concepto tan novedoso. Ejemplos tempranos como Monero (2014) o Zcash (2016) fueron pioneros en el área de transacciones privadas o protegidas para resguardar la información financiera de sus usuarios.
De hecho, Zcash fue un adoptador temprano de las pruebas de conocimiento cero.
Importantemente, tanto Monero como Zcash se categorizan como soluciones de pago: funcionan como Bitcoin, pero agregan privacidad encima.
Casi diez años han pasado desde la concepción de esos proyectos, y las soluciones modernas también han explorado agregar privacidad a las Blockchains de propósito general — en otras palabras, agregar privacidad a los Contratos Inteligentes.
Aleph Zero
Un ejemplo de esto es Aleph Zero.
Como curiosidad, está construido en Substrate (ahora Polkadot SDK).
La idea central es relativamente directa: Aleph Zero es una plataforma estándar de Contratos Inteligentes donde todo es público por defecto, como en Ethereum. Pero cuando necesitas privacidad, puedes optar por ella. Aquí hay una demo de cómo se ve esto:
Cuando quieres hacer una transacción privada o interactuar con un Contrato Inteligente privado, el sistema usa pruebas de conocimiento cero para ocultar los detalles de la transacción, mientras aún prueba a la red que todo es válido.
Efectivamente estás probando "tengo el derecho de hacer esta operación" sin revelar qué es la operación realmente.
Esto es interesante por dos razones:
- Primero, es una característica opcional, como mencionamos antes. No todo necesita ser privado. Tener la capacidad de elegir qué información queremos proteger es genial — porque si hay algo que hemos declarado bastante firmemente hasta ahora, es que las pruebas de conocimiento cero son costosas de generar. En el caso de construir y firmar una transacción privada, ese estrés se coloca en el usuario final, lo que daña la experiencia del usuario.
- En segundo lugar, la privacidad está integrada en el protocolo. Las Blockchains de propósito general pueden permitir cierto grado de privacidad personalizada, pero hay límites a lo que se puede hacer. Ejemplos como Confidential Wrapped Ether o Zether son técnicamente sólidos, pero por ejemplo, carecen de la capacidad de proteger las transacciones mismas (por ejemplo, no pueden proteger al remitente) porque el protocolo (Ethereum, Polkadot, etc.) no se preocupa por eso.
Las pruebas ZK aseguran que aunque las operaciones privadas estén ocultas, los validadores aún pueden verificar ciertas cosas como que no se creen tokens de la nada, que se respeten los límites de gasto, y más.
Aleph Zero no está solo en este juego — podemos nombrar otros proyectos con propiedades similares, como Aztec, Penumbra, Secret Network, y Oasis.
Sé que he dicho esto varias veces a lo largo de la serie, pero aún es muy temprano para medir el impacto que estas soluciones tendrán.
Enfoques Híbridos
Ahora llegamos a las cosas más exóticas.
Aunque hay algunas cosas interesantes de las que hablar como identidad basada en ZK o ZK Machine Learning (ZKML), hay una Blockchain en particular que ha capturado mi atención en cómo usa la computación verificable de una manera no convencional e innovadora: Mina.
Mina
El enfoque que Mina toma para, bueno, toda la base de lo que una Blockchain es difiere bastante dramáticamente del estándar. Hemos visto algunas desviaciones del modelo de Blockchain en la forma de DAGs, pero eso es sencillamente mucho más loco.
Mina propone un paradigma completamente nuevo: ¿qué tal si toda la Blockchain fuera solo una sola prueba?
¿Quéeeeeee?
Bastante alucinante, ¿no? ¿Pero cómo es esto siquiera posible?
La idea es reemplazar la Blockchain misma con una prueba recursiva que prueba que el estado actual de la red es válido.
Sé que esto generará muchas preguntas, así que déjame tratar de abordarlas preventivamente.
Primero, ¿qué pasa con las transacciones? Mantener solo una pequeña prueba significa que no hay libro contrable con cada transacción hecha — algo a lo que nos hemos acostumbrado. Pero si queremos mantener las cosas privadas... ¿Realmente necesitamos eso?
Así, Mina mantiene solo un certificado pequeño que prueba que los balances actuales son correctos. Cada vez que nuevas transacciones suceden, generan un nuevo certificado que prueba tanto que las nuevas transacciones son válidas como que el certificado anterior era válido. Con esto, tenemos una cadena de pruebas que se enlaza al mismo génesis de la red, y puedes verificar que toda la progresión es válida.
En lugar de la cadena de hashes que normalmente tenemos en las Blockchains. Aunque sospecho que el puntero a la prueba anterior es algún tipo de hash también.
¿Cuáles podrían ser las ventajas de adoptar esta estrategia? Bueno, una propiedad realmente genial de Mina es que las pruebas que se están usando son muy eficientes, ya que usan zkSNARKs. Y las implicaciones son enormes: cualquiera puede descargar y validar el estado de la red incluso en sus teléfonos móviles. Esto es posible al no tener que descargar enormes cantidades de datos de transacción, y confiar en tecnología ZK en su lugar.
Por último, quiero mencionar que Mina va aún más lejos con sus zkApps: Contratos Inteligentes que se ejecutan fuera de cadena, y solo envían pruebas a la Blockchain. Los datos nunca salen de tu dispositivo, y aún puedes probar cosas sobre ellos a la red.
Es simplemente descabellado. Mina probablemente representa la reimaginación más radical de la arquitectura de Blockchain que he visto hasta ahora. Y para mí, esto es exactamente el por qué la tecnología ZK es tan emocionante.
No se trata solo de hacer sistemas existentes más rápidos o más privados. Se trata de hacer posibles formas completamente nuevas de pensar sobre lo que la Blockchain puede ser.
Confío en que otras aplicaciones salvajes de ZK y computación verificable en general aparecerán en el futuro cercano. La tecnología aún está evolucionando, y a medida que mejore, seguramente habilitará cosas que eran imposibles hace unos años.
Resumen
Las aplicaciones ZK en Blockchain no terminan ahí.
Solo para nombrar otra, podríamos mencionar algo sobre puentes entre cadenas explorando ZK para seguridad extra.
Pero creo que este es un buen lugar para parar por ahora.
La conclusión clave es que estamos presenciando como la tecnología ZK evoluciona ante nuestros ojos, pasando de herramientas de privacidad de nicho a hacer impacto real en el espacio.
Así que ya no podemos ignorarla. Realmente se siente como que ZK (y la computación verificable en general) pueden cambiar el panorama de Blockchain a un nivel fundamental en un futuro no tan distante.
Y quién sabe — ¡tal vez el próximo avance hará que las ideas "radicales" de hoy se vean como un juego de niños!
La industria Blockchain no es para nada estática, y los límites seguirán siendo empujados. Las pruebas ZK son una de las últimas herramientas, y prometen ser particularmente útiles en privacidad y escalabilidad.
Sin embargo, estos no son los únicos problemas de larga data a resolver.
Otro muy prominente que hemos mencionado algunas veces a lo largo de nuestro viaje juntos es la disponibilidad de datos.
Y esta será una de nuestras últimas paradas en la serie. ¡Nos vemos ahí!