如何将 Cosmos 生态跨链标准 IBC 整合到以太坊？

原文标题：《Electron Labs 提案: 将 IBC 整合到以太坊》（Bringing IBC to Ethereum using ZK-Snarks）

撰文：Garvit Goel，Jinank Jain

编译：红军大叔

这是一篇关于如何将 IBC 带到以太坊的文章。本文的目的是概述该项目的技术细节并获得以太坊社区的支持。让我们深入了解它。

IBC 代表 Inter Blockchain Communication – Cosmos 生态系统中的跨链标准 https://ibcprotocol.org/[1]

问题背景

IBC 遵循轻客户端原则，需要将源区块链和目标区块链的轻客户端实现为智能合约，以验证跨链交易。

这意味着，为了将 IBC 连接到 Eth，我们需要在以太坊上以智能合约方式运行 Tendermint 轻客户端 (run the Tendermint light client on Ethereum as a solidity smart contract)。

但是这个过程 gas 消耗昂贵，因为这需要在 Solidity 中验证数百个 ed25519 签名，而 ed25519 预编译在以太坊上不可用。一个 ed25519 需要 500K gas。

这意味着验证完整的轻客户端 header 将需要至少 5000 万 gas 费（100 个验证者），对于拥有 1000 个验证者的更大的 cosmos 链，则高达 5 亿 gas。

因此，为了在以太坊上更便宜地验证签名， 我们需要新的方法。

解决方案

我们通过从 zk-rollups 获得灵感来实现这一目标。我们没有直接在以太坊上验证 ed25519 的签名，（并在 solidity 智能合约内执行曲线操作），而是构建了一个签名有效性的 zk 证明，并在链上验证该证明。

在 Electron Labs，我们构建了一个基于 circom 的库，允许你为一批 Ed25519 签名生成 zk-snark 证明。在这里查看完整的实现[2]。

如何参与体验？

我们已经部署了一个服务器，其端点允许你提交一批签名并获得 zk-proof 作为回报。你现在可以使用我们的文档中给出的 API 参考进行测试 – docs.electronlabs.org/reference/generate-proof9[3]

数学实现细节

为 ed25519 创建 ZK 证明是一个难题。

这是因为 ed25519 的 twisted Edwards curve 使用的 finite field 比 altbn128 曲线（由 zk-snarks 使用）使用的 finite field 大。在较小的 field 内执行大型 finite field 运算很困难，因为模数和乘法等一些基本运算可能变得非常低效。

为了解决这个问题，我们能够找到 2^85 作为基数，来定义我们的 twisted Edwards curve 的曲线运算。由于 ed25519 素数 p=2^255-19 是 2^85 的近似倍数，我们能够为基数 2^85 的数字想出有效的基本运算，如乘法和模法（在 25519 素数下）。

接下来，我们使用这些自定义操作在 ZK 电路中定义曲线操作，例如点加法、标量乘法和签名验证。

在这个文档中很难公正地解释这背后的数学细节，请参阅我们的详细文档解释[4].

单一签名证明的性能

由于上述优化，我们能够为单个签名实现的性能数据如下:

所有指标都是在一台 16 核 3.0GHz、32G 内存的机器上测量的（AWS c5a.4xlarge 实例）

Batch Prover 的性能

要了解系统级别的性能，我们需要查看 3 个参数：

• 每个签名的证明生成时间 ~ 9.6 秒（平均）
• 每批 / 证明的签名数 = ≤ 100（最大值）
• 为批次生成 zk-proof 的时间 = 16 分钟（基于 100 个签名批次）

证明生成时间（几乎）与每批签名的数量呈线性关系。我们可以增加 / 减少每批签名的数量，并且证明生成时间会相应改变。

证明制作时间将以延迟的形式显现。为了减少这种情况，我们可以在一个 zk 证明中放入较少数量的签名。但是，这意味着同样的批次大小（或每个轻客户端 header）将需要更多的证明，这将增加验证该批次的 gas 成本。

因此，减少延迟会增加 gas 成本。

下面我们列出了根据延迟和参与该 cosmos 链的验证者数量来验证以太坊上的 Tendermint 轻客户端 (LC) header 的预期成本。

我们可以让用户 /cosmos 链决定他们想要使用的延迟和 gas 费用的选项。

基于 2022 年 8 月 5 日的 gas 价格。

这里我们选择 200 个验证人和 50 个签名作为证明的基础分析。

Relayer 基础设施成本

由于 Tendermint 出块速度是~7 秒，而证明的生成时间是 8 分钟，我们将需要多个验证人并行来跟上区块的生产速度。

所需的并行机器数 = 8 分钟 *60 / 7 秒 = 69 台机器

我们建议使用 m5.8xlarge AWS 云实例来生成证明。

因此，此基础设施的成本 = 1.536 美元 *69 = 106 美元 / 小时

每个轻客户端 Header 的机器成本 = 106/3600/7 = 0.206 美元

预估总交易成本

基于 8 分钟延迟和 200 个验证器的假设。

链上轻客户端验证的总成本 = 0.206 = $18.1

让我们假设一个最坏的情况（从交易费用的角度来看），即一个区块中只有一个跨链交易。然后验证 LC 标头的全部费用由该交易承担。加上一些间接成本，验证跨链交易大约是 20 美元。

假设每个区块有 10 笔交易的乐观情况，此成本将约为 2 美元，这与以太坊上 Uniswap 交易的成本相似。

怎样降低 gas 成本和延迟（使用递归）？

为了将延迟降低到几秒钟，并将每笔交易的 gas 成本降低到几美分，我们正在研究递归证明技术。这将使我们能够并行生成多个证明，然后递归地将它们组合成一个证明。

我们正在评估市场上可用的各种递归库，例如 plonky2，以及 Mina、Aztec 和 Starknet 团队的作品。我们邀请任何从事递归工作的人与我们联系。

通过使用递归和基于硬件的加速，我们相信我们可以实现跨链交易的 5 秒以下的延迟。

未来，我们甚至可以将多个轻客户端 header 组合在一个证明中，每个证明的成本仅为 4.5 美元，并且每个跨链交易的成本可能低于 1 美元。

系统设计概述

当前 IBC 设计（简化）

新提议的 IBC 设计

提案设计要点

1. IBC 的界面保持不变。这使得采用非常容易，因为不需要新的开发文档和开发人员的再教育。现有的代码库也将按原样使用。
2. 应用链（appchain）上不需要治理更新
3. 以太坊上的 IBC 需要两项更改：
4. Relayer 现在将只提交其有效性证明，而不是提交完整的轻客户端 Header。
5. 以太坊侧的链上轻客户端模块将包括一个 zk-proof 验证器，而不是 ed25619 签名验证。

下一步计划？

我们邀请以太坊和 ZK 社区提供他们的意见并帮助我们收集支持以使该提案成为现实。

执行计划：

1. 阶段 1：我 ZK 引擎与 IBC 的集成
2. 阶段 2：通过递归证明和硬件加速将延迟降低到约 5 秒。
3. 阶段 3：部署一个演示应用链，通过 zk-IBC 连接到以太坊。
4. 阶段 4：运行演示应用程序链的设置，进行广泛的测试，并使社区能够测试交易。
5. 阶段 5：安全审计
6. 阶段 6：主网部署