RISC Zero과 친해지기: zkVM 이야기

RISC Zero

Overview

이 문서는 RISC Zero (https://dev.risczero.com) 문서를 참고하여 실습 내용 및 관련 내용을 정리한 문서입니다.

Getting Started

위 그림은 RISC Zero를 사용하여 ZK 관련 로직을 사용하는 방법을 나타낸 그림입니다.

1. zkVM을 위한 어플리케이션을 만들고
2. zkVM을 위한 Proof를 생성합니다.
3. 위에서 만든 Proof를 검증할 수 있도록 Onchain 로직과 결합합니다.

Writing your zkVM Application

Installation

Install​

rzup 은 RISC Zero 툴체인 설치파일 입니다. cargo 를 사용하여 별도로 설치할 수 있지만 rzup 을 사용하여 설치하는 것을 추천합니다.

1. 아래 커맨드를 실행하여 rzup 을 설치합니다.

    curl-L https://risczero.com/install | bash
       
   

2. rzup 명령어를 수행하여 RISC Zero를 설치합니다.

    rzup
   

Manual Installation​

cargo 를 이용한 수동 설치는 아래 과정을 따릅니다.

1. 아래 명령어를 수행하여 RISC Zero를 설치합니다.

    # For ARM macOS
    cargo install cargo-binstall
    cargo binstall cargo-risczero
    cargo risczero install 
   

    # For x86-64 macOS
    cargo install cargo-binstall
    cargo binstall cargo-risczero
    cargo risczero build-toolchain
   

• x86-64 macOS 의 경우 cargo risczero install 대신  cargo risczero build-toolchain 를 수행합니다.

Building zkVM Hello World

Step 1: Create a new project​

cargo-risczero 를 사용하여 hello-world 라고 하는 새로운 프로젝트를 생성합니다. 또한 cargo-risczero 는 —-guest-name 옵션을 사용하여 guest 프로그램의 이름을 지정할 수 있습니다.

cargo risczero new hello-world --guest-name hello_guest
cd hello-world

프로젝트 폴더 내부에서cargo run --release 명령어를 실행하여 프로젝트를 빌드하고 실행할 수 있습니다.

Step 2 (Host): Share private data as input with the guest

zkVM 혹은 prover는 Host에서 실행됩니다. host 코드는 hello-world/host/src/main.rs 에 위치합니다. Host는 prover를 구축하기 전에 ExecutorEnv 라고 하는 실행자 환경을 생성합니다. Host는 실행 전 guest에게 input 값을 제공합니다. guest가 readable memory를 관리하는 실행자 환경에 input 을 추가하여 수행합니다. prover가 프로그램을 실행할 때 입력값에 접근할 수 있게 됩니다.

use risc0_zkvm::{default_prover, ExecutorEnv};

fn main() {
    let input:u32 = 7;
    let env = ExecutorEnv::builder().write(&input).unwrap().build().unwrap();
}

Step 3 (Guest): Read input and commit output

Guest code는 methods/guest/src/main.rs 에 있습니다. 이 코드는 증명될 코드의 일부 입니다. 아래 코드에서 guest는 host의 입력 값을 읽은 다음 receipt의 journal에 커밋합니다.

• journal
  • zkVM 어플리케이션의 public output 이 포함된 receipt의 일부.
• receipt
  • receipt 는 guest program의 유효한 실행을 증명합니다. receipt는 receipt claim와 seal로 구성되어 있습니다. receipt claim은 journal과 기타 세부 정보가 포함되어 있으며 프로그램의 public output을 구성합니다. seal은 receipt claim의 유효성을 암호학적으로 증명하는 blob입니다.

use risc0_zkvm::guest::env;

fn main() {
    // read the input
let input:u32 = env::read();

    // do something with the input
    // writing to the journal makes it public
    env::commit(&input);
}

env::commit 함수는 public results를 journal에 커밋합니다. 한번 journal에 커밋이 되면 receipt를 가진 누구나 이 값을 확인할 수 있습니다.

Step 4 (Host): Generate a receipt and read its journal contents​

Host가 receipt를 생성하고 journal의 컨텐츠를 추출하는 방법을 알아봅니다.

실제 사용시에 우리는 receipt를 누군가로 부터 획득하여 이를 검증하려 할 것입니다. 그리고 prove 함수는 receipt의 내부 검증을 수행합니다. receipt에서 journal을 추출한 후 host에 println 한줄을 추가하여 stdout으로 이를 출력 할 수 있습니다.

use methods::{HELLO_GUEST_ELF, HELLO_GUEST_ID};
use risc0_zkvm::{default_prover, ExecutorEnv};

fn main() {
let input:u32 = 15 *u32::pow(2, 27) + 1;
let env = ExecutorEnv::builder().write(&input).unwrap().build().unwrap();

    // Obtain the default prover.
let prover = default_prover();

    // Produce a receipt by proving the specified ELF binary.
let receipt = prover.prove(env, HELLO_GUEST_ELF).unwrap().receipt;

    // Extract journal of receipt
let output:u32 = receipt.journal.decode().unwrap();

    // Print, notice, after committing to a journal, the private input became public
    println!("Hello, world! I generated a proof of guest execution! {} is a public output from journal ", output);
}

Understanding I/O in the zkVM

Setting the Stage​

zkVM에서 프로그래밍 하는 것은 host 와 guest, 두 세계간의 데이터를 이동시키는 것 이라고 생각할 수 있습니다. Host는 일반 프로그램과 같이 계산이 수행되고 Guest에서는 zk환경에서의 계산이 수행됩니다.

guest가 zk환경에서 작동하므로 host와 비교했을 때 제한적인 방법으로 데이터를 획득할 수 있습니다. Host 와 guest간 데이터를 보내는 유일한 방법은 Executor Environment 를 통하는 것 입니다. 이러한 데이터 전송은 file descriptors를 통해 이루어 지는데 zkVM에서는  stdin, stdout, stderr, ,journal 의 4가지 가 존재합니다.

The zkVM Data Model​

zkVM은 public data / private data 의 데이터 모델을 가지고 있습니다. “Public” 의 의미는 journal 에 포함되어 Proof의 일부가 되는 것을 의미하며 “Private”는 host와 guest만 접근 가능 합니다.

Sending data from the host to the guest

stdin file descriptor 는 host에서 guest로 Input data를 보내는데 사용됩니다. Host에서 write, write_slice 메소드를 사용하여 Executor Environment에 데이터를 설정하는 것이 가능합니다. Guest는 이에 대응되는 read 및 read_slice 메소드를 통해 이를 읽을 수 있습니다.

use risc0_zkvm::ExecutorEnv;

let input = "Hello, guest!";
let env = ExecutorEnv::builder().write(&input)?.build()?;

Sending Private data from the guest

stdout ,stderr 모두 guest 에서 host로 private data를 보내는데 사용되며 write 메소드를 통해 host의 stdout 으로 보내는 방법이 간단한 방법입니다.

let data = "Hello, host!";
env::write(&data);

Sending Public data from the guest​

공개하기 위한 데이터를 전송하기 위해 journal 으로 보내는 방법이 있습니다. 이는 commit , commit_slice 메소드를 통해 journal에 쓰기가 가능하며 이를 수행하면 Proof에 포함되며 Receipt를 통해 데이터에 접근할 수 있습니다.

let data = "Hello, journal!";
env::commit(&data);

Reading Private data in the host

Guest에서 데이터를 보낸 후 from_slice 메소드를 활용하여 host에서 읽을 수 있습니다.

let result: Type = from_slice(&output)?;

Reading Public data in the host

Public data를 읽는 것은 증명 과정 이후 Receipt 에 접근하는 것으로 읽을 수 있습니다. journal 인스턴스의 decode 메소드를 통해 가능합니다.

// Produce a receipt by proving the specified ELF binary.
let receipt = prover.prove(env, ELF).unwrap().receipt;
// Decode the journal to access the public data.
let public_data = receipt.journal.decode()?;

Sharing data structures between host and guest

Host 와 guest 사이 공통 데이터 구조를 공유하는 방법은 core 모듈을 포함하는 공통 데이터 구조를 포함하는 것 입니다.

JWT Validator 가 좋은 예시입니다.

Proof Composition

Start Building

proof composition 를 사용하기 위해 host에서 add_assumption() 함수를 호출하고 env::verify() 를 guest에서 호출합니다.

How It Works

proof composition은 ReceiptClaim구조체에 assumptions을 추가하고, assumptions을 resolveing 하는 것으로 동작합니다.

Adding Assumptions

env::verify() 가 guest 프로그램 내부에서 호출 되면 assumption이 ReceiptClaim 에 추가됩니다.

Resolve an Assumption

proof composition 를 해결하기 위해서 assumptions이 resolve 되어야 합니다. 이는 resolve 를 통해 수행됩니다. 이는 유저가 Prover::prove_with_opts 를 호출할 때 자동으로 호출 됩니다.

Generating Proofs for your zkVM Application

Proving Options

사용자는 Proof를 생성하기 위해 여러 옵션을 선택할 수 있습니다.

• dev-mode: 실제 Proof이 생성되지 않음, 프로토타이핑을 위함
• local proving: 유저의 CPU, GPU를 사용하여 Proof를 생성
• remote proving: Bonsai를 통해서 Proof를 생성

Dev mode

risc0 프로젝트는 RISC0_DEV_MODE 환경 변수를 설정하여 개발 모드에서 실행되게 할 수 있습니다. 이는 fake receipt creation, pass-through ‘verification’ 를 지원히기 때문에 실제 개발 과정에 영향을 주지 않으면서 개발이 가능하게 합니다. receipts가 개발 모드에서 생성될 때도 journal 에 public outputs이 포함되어 있습니다.

하지만 Proving 과정이 우회되기 때문에 개발 모드에서 실행하여 획득한 recepit 는 실제 모드에서는 동작하지 않습니다.

Local Proving

사용자는 zkVM을 로컬로 실행하여 자체 하드웨어를 통해 Proof를 생성할 수 있습니다. Feature flags 를 통해 CPU 및 GPU를 사용하게 할 수 있습니다.

Remote Proving

Bonsai는 사용자가 Proof 생성에 자체 하드웨어를 사용하지 않고도 zkVM 애플리케이션에 대한 Proof를 생성할 수 있도록 합니다. 사용자는 실행하려는 zkVM 애플리케이션과 해당 프로그램의 입력을 지정하고 Bonsai는 Proof를 반환합니다.