zk-RollupsをCosmos SDKを使ってLayer 2ブロックチェーンを実装

2024年8月20日 13:23

zk-RollupsをCosmos SDKを使ってLayer 2ブロックチェーンとして実装することは、高度なプロジェクトであり、複数のステップを必要とします。以下に、基本的な設計と実装の流れを示しますが、完全な実装には相当な技術力が求められます。

1. プロジェクトの設計概要

zk-Rollupsは、トランザクションをバッチにまとめ、圧縮してメインネット（Layer 1）に送信し、その正当性をゼロ知識証明で確認することでスケーラビリティを向上させます。この設計をCosmos SDKで実装する場合、次のようなコンポーネントが必要です。

Layer 2 (L2) チェーン: トランザクションを処理し、zk-Rollupsのバッチを生成。
zk-SNARKs/ZK-Proofs モジュール: ゼロ知識証明を生成し、トランザクションの正当性を証明。
ブリッジモジュール: L2からL1へのバッチ送信と、L1での検証結果の受信。

2. Cosmos SDKのセットアップ

まず、Cosmos SDKで新しいブロックチェーンを作成します。

必要なツール

Go (バージョン1.19以降)
Cosmos SDK
zk-SNARKsライブラリ（Circomやsnarkjsなど）

インストール手順

# Cosmos SDKのインストール
git clone https://github.com/cosmos/cosmos-sdk
cd cosmos-sdk
make install

# Starportのインストール (オプション)
curl https://get.starport.network/starport! | bash

3. 新しいブロックチェーンの作成

starport scaffold chain github.com/username/zkchain
cd zkchain

4. zk-Rollupsモジュールの実装

4.1 zk-SNARKsの導入

Cosmos SDKで直接zk-SNARKsを利用するために、外部ライブラリ（例えばCircomやsnarkjs）を使用するか、Go向けのzk-SNARKsライブラリを活用します。具体的なライブラリ選択と導入はプロジェクトの要件に依存します。

4.2 zk-Rollupsの処理ロジック

トランザクションバッチの生成: トランザクションを集めてバッチを生成します。
ゼロ知識証明の作成: バッチに対してzk-SNARKsを生成し、正当性を証明します。

x/zkrollup/types/tx.go にメッセージを定義します。

package types

import (
    sdk "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types"
)

const (
    TypeMsgCreateBatch = "create_batch"
)

type MsgCreateBatch struct {
    Creator sdk.AccAddress `json:"creator" yaml:"creator"`
    Batch   []sdk.Msg      `json:"batch" yaml:"batch"`
}

func NewMsgCreateBatch(creator sdk.AccAddress, batch []sdk.Msg) MsgCreateBatch {
    return MsgCreateBatch{
        Creator: creator,
        Batch:   batch,
    }
}

func (msg MsgCreateBatch) Route() string {
    return RouterKey
}

func (msg MsgCreateBatch) Type() string {
    return TypeMsgCreateBatch
}

func (msg MsgCreateBatch) GetSigners() []sdk.AccAddress {
    return []sdk.AccAddress{msg.Creator}
}

func (msg MsgCreateBatch) GetSignBytes() []byte {
    bz := ModuleCdc.MustMarshalJSON(&msg)
    return sdk.MustSortJSON(bz)
}

func (msg MsgCreateBatch) ValidateBasic() error {
    if msg.Creator.Empty() {
        return sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrInvalidAddress, "creator can't be empty")
    }
    if len(msg.Batch) == 0 {
        return sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrUnknownRequest, "batch can't be empty")
    }
    return nil
}

4.3 メッセージハンドラーとバッチの送信

x/zkrollup/handler.go にメッセージ処理を追加します。

package zkrollup

import (
    "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types"
    "github.com/username/zkchain/x/zkrollup/keeper"
    "github.com/username/zkchain/x/zkrollup/types"
)

func NewHandler(k keeper.Keeper) types.Handler {
    return func(ctx types.Context, msg types.Msg) (*types.Result, error) {
        switch msg := msg.(type) {
        case *types.MsgCreateBatch:
            return handleMsgCreateBatch(ctx, k, msg)
        default:
            return nil, sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrUnknownRequest, "unrecognized zkrollup message")
        }
    }
}

func handleMsgCreateBatch(ctx sdk.Context, k keeper.Keeper, msg *types.MsgCreateBatch) (*sdk.Result, error) {
    // zk-SNARKを使ったバッチの証明生成処理
    proof, err := k.CreateProof(ctx, msg.Batch)
    if err != nil {
        return nil, sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrInvalidRequest, "failed to create zk proof")
    }

    // L1への送信準備
    k.SendBatchToL1(ctx, proof)

    return &sdk.Result{Events: ctx.EventManager().Events()}, nil
}

5. ブリッジモジュール

L2からL1へのバッチ送信と検証結果の受信を行うブリッジモジュールを実装します。この部分は、L1ブロックチェーンと通信する必要があるため、通常のCosmos SDKだけでなく、外部のネットワークインターフェースやオラクルなども必要になる場合があります。

ブリッジモジュールの設計概要

ブリッジメッセージ: L2からL1へデータを送信するためのメッセージ。
データ転送: zk-Rollupsによって生成されたバッチと証明をL1に送信。
L1での検証: L1チェーンでzk-SNARKs証明を検証し、データの正当性を確認。

5-1. メッセージの定義

まず、L2からL1にデータを送信するためのメッセージを定義します。x/bridge/types/tx.goに以下のようなメッセージを定義します。

package types

import (
    sdk "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types"
    "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types/errors"
)

const (
    TypeMsgSendToL1 = "send_to_l1"
)

type MsgSendToL1 struct {
    Creator sdk.AccAddress `json:"creator" yaml:"creator"`
    Data    []byte         `json:"data" yaml:"data"`
    Proof   []byte         `json:"proof" yaml:"proof"`  // zk-SNARKs証明
}

func NewMsgSendToL1(creator sdk.AccAddress, data []byte, proof []byte) MsgSendToL1 {
    return MsgSendToL1{
        Creator: creator,
        Data:    data,
        Proof:   proof,
    }
}

func (msg MsgSendToL1) Route() string {
    return RouterKey
}

func (msg MsgSendToL1) Type() string {
    return TypeMsgSendToL1
}

func (msg MsgSendToL1) GetSigners() []sdk.AccAddress {
    return []sdk.AccAddress{msg.Creator}
}

func (msg MsgSendToL1) GetSignBytes() []byte {
    bz := ModuleCdc.MustMarshalJSON(&msg)
    return sdk.MustSortJSON(bz)
}

func (msg MsgSendToL1) ValidateBasic() error {
    if msg.Creator.Empty() {
        return errors.Wrap(errors.ErrInvalidAddress, "creator can't be empty")
    }
    if len(msg.Data) == 0 {
        return errors.Wrap(errors.ErrUnknownRequest, "data can't be empty")
    }
    if len(msg.Proof) == 0 {
        return errors.Wrap(errors.ErrUnknownRequest, "proof can't be empty")
    }
    return nil
}

5-2. メッセージハンドラーの実装

メッセージが送信された際に、そのデータと証明をL1に転送するためのロジックを追加します。x/bridge/handler.goを編集します。

package bridge

import (
    "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types"
    "github.com/username/zkchain/x/bridge/keeper"
    "github.com/username/zkchain/x/bridge/types"
)

func NewHandler(k keeper.Keeper) types.Handler {
    return func(ctx types.Context, msg types.Msg) (*types.Result, error) {
        switch msg := msg.(type) {
        case *types.MsgSendToL1:
            return handleMsgSendToL1(ctx, k, msg)
        default:
            return nil, sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrUnknownRequest, "unrecognized bridge message")
        }
    }
}

func handleMsgSendToL1(ctx sdk.Context, k keeper.Keeper, msg *types.MsgSendToL1) (*sdk.Result, error) {
    // zk-SNARKs証明の検証
    if !k.VerifyProof(ctx, msg.Proof) {
        return nil, sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrUnauthorized, "invalid zk proof")
    }

    // L1へのデータ送信
    if err := k.SendToL1(ctx, msg.Data); err != nil {
        return nil, sdkerrors.Wrap(sdkerrors.ErrUnknownRequest, "failed to send data to L1")
    }

    return &sdk.Result{Events: ctx.EventManager().Events()}, nil
}

5-3. Keeperの実装

次に、ブリッジのKeeperを実装します。x/bridge/keeper/keeper.goにL1へのデータ送信とzk-SNARKs証明の検証を行うロジックを追加します。

package keeper

import (
    "github.com/cosmos/cosmos-sdk/types"
    "github.com/username/zkchain/x/bridge/types"
    "log"
)

type Keeper struct {
    storeKey   types.StoreKey
    cdc        types.Codec
}

func NewKeeper(storeKey types.StoreKey, cdc types.Codec) Keeper {
    return Keeper{
        storeKey: storeKey,
        cdc:      cdc,
    }
}

// zk-SNARKs証明の検証（簡略化された例）
func (k Keeper) VerifyProof(ctx sdk.Context, proof []byte) bool {
    // ここで実際にzk-SNARKsの検証を行う
    // 簡略化のため、常にtrueを返す
    return true
}

// L1へのデータ送信（簡略化された例）
func (k Keeper) SendToL1(ctx sdk.Context, data []byte) error {
    log.Printf("Sending data to L1: %x\n", data)
    // 実際のL1への送信処理を実装
    return nil
}

5-4. ブリッジモジュールのインテグレーション

ブリッジモジュールをチェーンに統合します。app.goにモジュールを追加し、インスタンス化します。

import (
    bridge "github.com/username/zkchain/x/bridge"
    bridgekeeper "github.com/username/zkchain/x/bridge/keeper"
)

func NewApp(...) *App {
    ...
    app.BridgeKeeper = bridgekeeper.NewKeeper(
        keys[bridge.StoreKey],
        appCodec,
    )

    ...
    app.Router().
        AddRoute(bridge.RouterKey, bridge.NewHandler(app.BridgeKeeper))
}

6. テストとデプロイ

ローカルネットワークでテストを行い、L2からL1へのバッチ送信が正しく行われることを確認します。

starport chain build
zkchaind start

7. 実装の拡張

セキュリティ: zk-SNARKsの証明が正しく動作するか、悪意のあるトランザクションがブロックチェーンに影響を与えないかを確認する。
スケーラビリティ: トランザクションの処理速度を向上させるための最適化。
分散化: 多数のノードが参加する分散型ネットワークを構築し、耐障害性を高める。

まとめ

zk-RollupsをCosmos SDKを使用して実装するプロセスは非常に複雑であり、zk-SNARKsの生成と検証を含む多くの技術的な課題があります。このガイドでは、基本的なコンセプトと実装手順を提供しましたが、商用レベルのシステムを開発するにはさらに多くの設計と開発が必要です。

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