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Layer2のゼロ知識証明を実装してみる

株式会社ブロックス

ゼロ知識証明を使用したレイヤー2（Layer 2）の実装は、スケーラビリティとプライバシーの両方を向上させるために非常に効果的です。具体的には、ZK-Rollups（Zero-Knowledge Rollups）がこの目的を達成するための一般的な方法です。以下に、ZK-Rollupsの基本的な実装手順を示します。

1. ZK-Rollupsの基本概念

ZK-Rollupsは、多くのトランザクションを一つの証明にまとめてメインチェーンに送信することで、処理能力を向上させ、トランザクションコストを削減します。ゼロ知識証明（ZK-SNARKsやZK-STARKs）を使用することで、各トランザクションの正当性を証明しながら、詳細を公開しないでプライバシーを保護します。

2. システムの主要コンポーネント

  1. オフチェーンコンポーネント:

    • トランザクションアグリゲータ：ユーザーからのトランザクションを収集し、バッチ処理を行う。

    • 証明生成機：トランザクションバッチの正当性をゼロ知識証明を用いて証明する。

  2. オンチェーンコンポーネント:

    • スマートコントラクト：ZK-Rollupsのルート状態を管理し、証明の検証を行う。

    • データアベイラビリティ：必要なデータを保存し、必要に応じてアクセス可能にする。

3. 実装手順

ステップ1：トランザクションアグリゲーション
ユーザーからのトランザクションを収集し、バッチ処理を行います。このバッチは、後でゼロ知識証明の生成に使用されます。

class TransactionAggregator:
    def __init__(self):
        self.transactions = []

    def add_transaction(self, tx):
        self.transactions.append(tx)

    def get_batch(self):
        batch = self.transactions
        self.transactions = []
        return batch

ステップ2：ゼロ知識証明の生成
収集したトランザクションバッチに対してゼロ知識証明を生成します。ここでは、ZK-SNARKsのライブラリ（例：libsnark）を使用します。

import libsnark

class ProofGenerator:
    def __init__(self, proving_key):
        self.proving_key = proving_key

    def generate_proof(self, batch):
        # トランザクションバッチから証明を生成するロジック
        proof = libsnark.generate_proof(self.proving_key, batch)
        return proof

ステップ3：スマートコントラクトの作成
イーサリアムのSolidityを使用して、ZK-Rollupスマートコントラクトを作成します。このスマートコントラクトは、生成された証明を検証し、状態を更新します。

pragma solidity ^0.8.0;

import "snarkjs/contracts/Verifier.sol";

contract ZKRollup is Verifier {
    // 状態のルート
    bytes32 public stateRoot;

    event StateUpdated(bytes32 newStateRoot);

    constructor(bytes32 initialStateRoot) {
        stateRoot = initialStateRoot;
    }

    function updateState(bytes32 newStateRoot, Proof memory proof) public {
        require(verifyProof(proof), "Invalid proof");
        stateRoot = newStateRoot;
        emit StateUpdated(newStateRoot);
    }
}

ステップ4：データアベイラビリティの確保
データアベイラビリティを確保するために、オフチェーンでデータを保存し、必要に応じてアクセス可能にします。

class DataAvailability:
    def __init__(self):
        self.data_store = {}

    def store_data(self, batch_hash, data):
        self.data_store[batch_hash] = data

    def get_data(self, batch_hash):
        return self.data_store.get(batch_hash, None)

4. 実行フローの概要

  1. トランザクション収集：ユーザーはトランザクションを送信し、トランザクションアグリゲータがこれを収集します。

  2. 証明生成：収集されたトランザクションバッチに対して証明生成機がゼロ知識証明を生成します。

  3. オンチェーン検証：生成された証明をスマートコントラクトに送信し、検証と状態の更新を行います。

  4. データアベイラビリティ：必要なデータをオフチェーンで保存し、必要に応じてアクセス可能にします。

この基本的な流れをもとに、具体的な要件に応じたカスタマイズを行ってください。ZK-Rollupsは複雑な技術ですが、その強力な性能とプライバシー保護の能力は、さまざまなユースケースにおいて非常に有用です。

StarkNet

StarkNetは、イーサリアム上に構築されたレイヤー2のスケーリングソリューションであり、STARK（Scalable Transparent Argument of Knowledge）証明技術を使用しています。STARKは、ゼロ知識証明の一種であり、高いスケーラビリティと透明性を提供することで注目を集めています。以下に、StarkNetの特徴と仕組みについて詳しく説明します。

StarkNetの特徴

  1. スケーラビリティ: StarkNetは、大量のトランザクションをオフチェーンで処理し、その証明をオンチェーンで検証することで、イーサリアムのトランザクション処理能力を大幅に向上させます。

  2. 低ガス料金: 多数のトランザクションを一つの証明にまとめてイーサリアムに送信するため、個々のトランザクションのガス料金が大幅に削減されます。

  3. セキュリティ: StarkNetは、イーサリアムのセキュリティモデルを継承し、強力な暗号技術であるSTARKを用いることで高いセキュリティを提供します。

  4. 透明性とプライバシー: STARK証明は透明性が高く、信頼性が担保されている一方で、トランザクションの詳細を明らかにしないゼロ知識証明の性質を持っています。

StarkNetの仕組み

StarkNetは、以下の主要なコンポーネントで構成されています。

  1. Sequencer: トランザクションを受け取り、順序を決定してバッチ処理を行います。Sequencerはトランザクションの集合を作成し、それを証明生成コンポーネントに渡します。

  2. Prover: トランザクションの集合に対してSTARK証明を生成します。この証明は、トランザクションが正当であることを示し、オンチェーンで検証可能です。

  3. Verifier: イーサリアム上のスマートコントラクトであり、Proverから送られた証明を検証し、トランザクションの正当性を確認します。

StarkNetの使用例

  1. DeFi（分散型金融）: StarkNetは、高速かつ低コストでの取引を可能にするため、分散型取引所（DEX）やレンディングプラットフォームに適しています。

  2. NFTマーケットプレイス: 高頻度の取引が求められるNFT市場において、StarkNetのスケーラビリティは大きな利点となります。

  3. ゲーム: ゲーム内アイテムの取引やプレイヤー間のインタラクションにおいて、迅速かつ安価なトランザクションを実現します。

StarkNetの開発ツール

StarkNetの開発を支援するためのさまざまなツールが提供されています。

  1. Cairo: StarkNetのスマートコントラクト開発に使用されるプログラミング言語です。Cairoは、STARK証明の生成に特化した言語で、高い効率性を誇ります。

  2. StarkNet.js: StarkNetと対話するためのJavaScriptライブラリであり、フロントエンド開発者がStarkNetを利用したDAppを簡単に構築できるようにします。

まとめ

StarkNetは、イーサリアムのスケーラビリティとプライバシーの課題を解決するための強力なソリューションです。STARK証明技術を利用することで、高いセキュリティと透明性を維持しながら、大量のトランザクションを効率的に処理します。DeFi、NFT、ゲームなどの分野での活用が期待されており、Cairoなどのツールを用いて、開発者は簡単にStarkNet上でDAppを構築できます。

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