Halo
TL;DR
Halo es un sistema de pruebas de conocimiento cero (ZKP) recursivo y sin confianza, descubierto por Sean Bowe en Electric Coin Co. Elimina la necesidad de una configuración de confianza y hace práctica la composición recursiva de pruebas, que es la base de la hoja de ruta actual de escalabilidad y seguridad de Zcash.
- Qué es: una construcción zk-SNARK con recursión eficiente y sin ceremonia de configuración de confianza.
- Por qué importa: el pool blindado Orchard de Zcash, activado con NU5 en 2022, funciona con Halo 2, la implementación de producción de esta investigación.
- Propiedad clave: no hay «residuos tóxicos» de las ceremonias de configuración, y las pruebas pueden dar fe de una cantidad prácticamente ilimitada de otras pruebas.
- Licencias: Halo 2 es de código abierto bajo MIT y Apache 2.0, por lo que cualquiera en el ecosistema puede desarrollar sobre él.
Explicación principal
Halo es un sistema de pruebas de conocimiento cero recursivo y sin confianza, descubierto por Sean Bowe en Electric Coin Co. Elimina la configuración de confianza y permite una mayor escalabilidad de la blockchain Zcash. Halo fue el primer sistema de pruebas de conocimiento cero que es eficiente y recursivo a la vez, ampliamente considerado un avance científico.
Los dos componentes
- Esquema sucinto de compromiso polinómico. Permite a quien se compromete comprometerse con un polinomio mediante una cadena corta que un verificador puede usar para confirmar las evaluaciones declaradas del polinomio comprometido.
- Prueba de oráculo interactivo polinómico. El verificador pide al demostrador (un algoritmo) que abra todos los compromisos en puntos de su elección, usando el esquema de compromiso polinómico, y comprueba que la identidad se cumple entre ellos.
Sin configuración de confianza
zk-SNARKs dependen de una cadena de referencia común (CRS) como parámetro público para demostrar y verificar. Esta CRS debe ser generada previamente por una parte de confianza. Hasta hace poco, eran necesarios elaborados cálculos seguros multipartitos (MPC), como los realizados por la red Aztec y Zcash, para mitigar el riesgo durante esta ceremonia de configuración de confianza.
Los anteriores pools blindados Sprout y Sapling de Zcash utilizaban los sistemas de demostración zk BCTV14 y Groth16. Aunque eran seguros, tenían limitaciones: no eran escalables porque estaban vinculados a una única aplicación, los «residuos tóxicos» (restos de material criptográfico generados durante la ceremonia génesis) podían persistir y existía un elemento de confianza, aunque mínimo, al considerar aceptable la ceremonia.
Halo elimina la configuración de confianza colapsando repetidamente múltiples instancias de problemas difíciles a lo largo de ciclos de curvas elípticas, de modo que las pruebas computacionales puedan razonar eficientemente sobre sí mismas (amortización anidada). Un efecto secundario es que la cadena de referencia estructurada (el resultado de una ceremonia) se vuelve actualizable, lo que permite aplicaciones como los contratos inteligentes.
Halo proporciona a los usuarios dos garantías importantes sobre la seguridad de un sistema de pruebas de conocimiento cero a gran escala. En primer lugar, permite a los usuarios demostrar que nadie involucrado en la ceremonia génesis ha creado una puerta trasera secreta para ejecutar transacciones fraudulentas. En segundo lugar, permite a los usuarios demostrar que el sistema se ha mantenido seguro a lo largo del tiempo, incluso mientras ha sido objeto de actualizaciones y cambios.
Sean Boweexplicación de Dystopia Labs
Visual / Analogía
La cadena de notarios
Piensa en una zk-SNARK normal como un documento notariado: un sello, una verificación, listo. Ahora imagina que necesitas demostrar que una pila de diez mil documentos es auténtica. Sin recursión, un verificador tendría que revisar cada sello.
Halo convierte cada documento verificado en un sello sobre el documento siguiente, hasta que toda la pila se colapsa en un único documento con un solo sello. Verificar el último documento basta para confiar en toda la cadena y, lo que es crucial, el notario de Halo (el sistema de demostración) fabrica sus propios sellos sin necesitar nunca una autoridad externa que configure su sello.
Por qué importa eliminar la configuración de confianza
En los sistemas más antiguos, el «sello» (la CRS) procedía de una ceremonia. Los participantes tenían que destruir el material intermedio, y todos debían confiar en que lo hicieran. El sello de Halo es producido únicamente por las matemáticas: no hay nada que destruir, nada que filtrar ni ninguna ceremonia en la que confiar.
Análisis en profundidad
Pruebas recursivas
La composición recursiva de pruebas permite que una única prueba dé fe de la corrección de una cantidad prácticamente ilimitada de otras pruebas, comprimiendo una gran cantidad de computación e información. Este es un componente esencial para la escalabilidad, ya que permite que la red escale horizontalmente mientras grupos de participantes aún pueden confiar en la integridad del resto de la red.
Antes de Halo, lograr una composición recursiva de pruebas requería un gran coste computacional y una configuración de confianza. Uno de los principales descubrimientos fue una técnica denominada amortización anidada: composición recursiva usando un esquema de compromiso polinómico basado en el argumento de producto interno, que mejora masivamente el rendimiento mientras evita la configuración de confianza.
El documento Halo describe por completo este esquema de compromiso polinómico y descubrió que contenía una nueva técnica de agregación. La técnica permite verificar un gran número de pruebas creadas independientemente casi tan rápido como se verifica una sola prueba. Por sí sola, ya ofrecía una alternativa mejor al zk-SNARKs anterior utilizado en Zcash.
Halo 2
Halo 2 es una implementación zk-SNARK de alto rendimiento escrita en Rust que elimina la necesidad de una configuración de confianza y prepara el terreno para la escalabilidad en Zcash.
Incluye una generalización del enfoque denominada esquema de acumulación. Esta formalización muestra cómo funciona realmente la amortización anidada: al añadir pruebas a un objeto llamado acumulador, donde cada prueba razona sobre el estado anterior del acumulador, todas las pruebas anteriores pueden comprobarse (por inducción) simplemente verificando el estado actual del acumulador.
En paralelo, muchos otros equipos estaban descubriendo IOP polinómicos más eficientes que Sonic (usado en Halo 1), como Marlin. El más eficiente de estos protocolos es PLONK, que otorga enorme flexibilidad para diseñar implementaciones eficientes según las necesidades específicas de cada aplicación y proporciona un tiempo del demostrador 5× mejor que Sonic.
Descripción general de PLONK
Halo en el ecosistema más amplio
Electric Coin Company celebró un acuerdo con Protocol Labs, la Fundación Filecoin y la Ethereum Foundation para explorar I+D de Halo, incluido cómo podría utilizarse la tecnología en sus respectivas redes. El acuerdo tiene como objetivo proporcionar una mejor escalabilidad, interoperabilidad y privacidad entre ecosistemas y para Web 3.0.
Además, Halo 2 está bajo las licencias de código abierto MIT y Apache 2.0, lo que significa que cualquiera en el ecosistema puede desarrollar con el sistema de demostración.
Filecoin. Desde su despliegue, la biblioteca halo2 ha sido adoptada en proyectos como zkEVM, y existe una posible integración de Halo 2 en el sistema de pruebas de la Máquina Virtual Filecoin. Filecoin requiere numerosas y costosas pruebas de espacio-tiempo y pruebas de replicación; Halo 2 es fundamental para comprimir el uso de espacio y escalar mejor la red. Filecoinvídeo de la Fundación con Zooko. También beneficiaría a ambos ecosistemas que los pagos de almacenamiento Filecoin pudieran hacerse en ZEC, ofreciendo la misma privacidad para las compras de almacenamiento que existe en las transferencias blindadas Zcash, incluido el cifrado de archivos en el almacenamiento Filecoin y la compatibilidad con clientes móviles que adjunten medios a un memo cifrado Zcash. ECC × Filecoinpublicación de blog
Ethereum. Se está desarrollando una prueba Halo 2 para una Función de Retardo Verificable (VDF) eficiente. Una VDF es una primitiva criptográfica con muchos casos de uso potenciales, incluida la aleatoriedad de propósito general para contratos inteligentes y la elección de líderes en Proof of Stake. ECC, la Fundación Filecoin, Protocol Labs y la Ethereum Foundation también están trabajando con SupraNational, un proveedor especializado en criptografía acelerada por hardware, para un posible desarrollo de GPU y ASIC de la VDF. El grupo Privacy and Scaling Explorations está investigando formas adicionales en que las pruebas Halo 2 pueden mejorar la privacidad y escalabilidad de Ethereum.
Otros proyectos que usan Halo
- Anoma — un protocolo de swaps atómicos multicadena que preserva la privacidad
- Orbis — un zkRollup L2 en Cardano
- DarkFi — una blockchain zkEVM L1 privada
- Scroll — un zkRollup L2 en Ethereum
Implicaciones prácticas
Para Zcash mismo
- El pool blindado Orchard, activado con NU5, es la implementación de este nuevo sistema de pruebas en la red Zcash. Está protegido por el mismo diseño de torniquete utilizado entre Sprout y Sapling, con la intención de retirar gradualmente los pools blindados más antiguos.
- Tras NU5 (mediados de 2022), se hizo posible la integración de pruebas recursivas, y llegaron varias mejoras de privacidad, sobre todo la introducción de «Actions» en reemplazo de entradas/salidas, lo que reduce la cantidad de metadatos de transacción.
- Eliminar las configuraciones de confianza elimina un riesgo sistémico que, de otro modo, tendría que repetirse para cada actualización importante del protocolo.
Para titulares y operadores
- La composición recursiva de pruebas tiene el potencial de comprimir cantidades ilimitadas de computación, crear sistemas distribuidos auditables y mejorar la capacidad de Capa 1 para operadores de nodos completos, algo relevante para extensiones como los Shielded Assets de Zcash y los diseños a largo plazo de Zcash.
Errores comunes
| Creencia común | Lo que realmente ocurre |
|---|
| «Halo es una futura actualización que Zcash está esperando». | Orchard, activo en mainnet desde NU5 (2022), ya funciona con Halo 2. |
| «Sin configuración de confianza significa que no hay parámetros en absoluto». | Halo aún usa parámetros estructurados; la diferencia es que no contienen residuos tóxicos y pueden generarse y actualizarse sin una ceremonia en la que los participantes deban confiar. |
| «Halo 2 y el documento Halo son lo mismo». | El documento describe el esquema de compromiso polinómico y la amortización anidada; Halo 2 es la implementación Rust de producción con un esquema de acumulación y aritmetización PLONKish. |
| «La recursión solo ayuda a escalar la verificación de bloques». | La recursión también comprime la computación a nivel de aplicación; consulta las pruebas de espacio-tiempo/replicación de Filecoin y el trabajo de VDF para Ethereum. |
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