Plonky2: Uma Nova Geração em Provas de Conhecimento Zero

A Polygon Labs, através da sua divisão Polygon Zero, dedica-se a explorar provas de conhecimento zero para escalar o Ethereum, visando acomodar mil milhões de utilizadores sem comprometer a descentralização e a segurança. Para atingir este objetivo, são necessários sistemas de provas rápidos e eficientes. O Plonky2 representa uma inovação disruptiva na criptografia de conhecimento zero, ao reunir as vantagens de vários sistemas de provas numa solução única e otimizada.

O Plonky2 é um SNARK recursivo que supera significativamente as alternativas existentes em termos de desempenho, mantendo compatibilidade nativa com Ethereum. Ao unir PLONK e FRI (Fast Reed-Solomon Interactive Oracle Proofs), o Plonky2 incorpora as melhores características dos STARKs—incluindo geração veloz de provas e ausência de trusted setup—e dos SNARKs, garantindo recursividade e custos de verificação reduzidos no Ethereum.

Recursividade

A recursividade é uma das funcionalidades mais avançadas dos sistemas de provas de conhecimento zero. Os SNARKs conseguem verificar cálculos arbitrários e, dado que a verificação de um SNARK é também um cálculo, podem validar outros SNARKs. Esta propriedade recursiva do Plonky2 permite ganhos substanciais de escalabilidade.

Imagine um cenário prático onde validadores têm de provar a validade de 1 000 transações. Criar uma única prova monolítica para todas as transações seria altamente exigente em termos computacionais e de tempo. Uma abordagem eficiente consiste em distribuir a tarefa por 1 000 máquinas em paralelo, cada uma gerando uma prova individual por transação. Depois, essas provas são agregadas recursivamente em camadas sucessivas, nas quais cada prova valida duas provas da camada anterior. O processo repete-se até restar apenas uma prova que certifica todas as 1 000 transações.

Esta arquitetura recursiva do Plonky2 reduz o tempo de processamento, diminui os requisitos de recursos e promove maior descentralização ao distribuir o processo de geração de provas por múltiplos nós.

Eficiência

As provas recursivas são essenciais para a escalabilidade das blockchains. A evolução desta tecnologia foi rápida: quando a Mir (depois Polygon Zero) surgiu em 2019, gerar uma prova recursiva demorava cerca de dois minutos em hardware de topo. Em 2020, a tecnologia foi implementada no Ethereum, com tempos de geração reduzidos para 60 segundos. O protocolo Halo acelerou ainda mais o processo, mas perdeu compatibilidade com Ethereum.

Em 2021, a Polygon Zero definiu um objetivo tecnológico exigente: atingir provas recursivas com menos de 1 segundo, mantendo compatibilidade com Ethereum. O avanço do Plonky2 resultou da perceção de que o FRI, o mecanismo de compromisso polinomial dos STARKs, poderia trazer grandes ganhos de desempenho para SNARKs recursivos—algo não evidente em implementações prévias como a Fractal, que demoravam cerca de 10 minutos a gerar provas.

O FRI tem propriedades matemáticas únicas. Permite recorrer a campos de 64 bits, e os investigadores da Polygon identificaram o Goldilocks Field, cujo módulo viabiliza operações aritméticas altamente eficientes em CPUs modernas. Integrando o FRI com o PLONK, é possível desenhar gates personalizados com mais fios, otimizando os circuitos do Plonky2 para recursividade eficiente.

Esta convergência entre inovação matemática, excelência criptográfica e otimização de baixo nível resultou numa conquista transformadora: uma prova recursiva em Plonky2 é gerada em apenas 170 milissegundos num Macbook Pro—um salto substancial face às soluções disponíveis.

Tamanhos das Provas

O Plonky2 não só melhora o desempenho em provas recursivas, como também na geração de provas não recursivas. Sistemas baseados em FRI enfrentam normalmente um dilema: podem gerar provas rapidamente, mas com tamanhos maiores (aumentando custos de verificação no Ethereum), ou gerar provas mais pequenas, sacrificando velocidade. Outras soluções são obrigadas a escolher entre estas alternativas.

O design do Plonky2 elimina esse dilema. Quando a rapidez é prioridade, o sistema otimiza para velocidade máxima de geração. Após a agregação recursiva das provas individuais, a prova final pode ser validada por um circuito compacto, permitindo reduzir o tamanho da prova. Esta abordagem em duas etapas permite tamanhos de prova tão reduzidos quanto 45 kilobytes, com apenas 20 segundos de geração—um tempo irrelevante, já que a prova é criada apenas na submissão para Ethereum. Este recurso diminui drasticamente os custos operacionais face a alternativas existentes.

Compatibilidade

Uma das principais forças do Plonky2 é a sua compatibilidade nativa com Ethereum. O processo de verificação exige apenas a hash criptográfica keccak-256, assegurando integração total com a infraestrutura Ethereum. Estimativas iniciais apontam para cerca de 1 milhão de unidades de gas para validar uma prova Plonky2 otimizada para tamanho no Ethereum.

Grande parte deste consumo de gas resulta dos custos de publicação de CALLDATA ao registar a prova on-chain. Caso a estrutura de preços do CALLDATA seja revista através da EIP-4488, o custo de verificação poderá baixar para 170 000-200 000 unidades de gas. Assim, Plonky2 poderá posicionar-se como um sistema de verificação de provas não só rápido, mas também eficiente em custos para o Ethereum.

Conclusão

O Plonky2 constitui uma evolução fundamental na tecnologia de provas de conhecimento zero e um marco para a infraestrutura de escalabilidade do Ethereum. O desenvolvimento pela Polygon Zero demonstra que é possível unir inovação matemática e engenharia de excelência para superar limitações históricas dos sistemas de provas. Embora as soluções de segunda camada baseadas em conhecimento zero tenham ganho destaque, as implementações atuais continuam dependentes de primitivas criptográficas que limitam eficiência e escalabilidade.

Com a evolução do ecossistema de soluções de segunda camada, a diferenciação dependerá cada vez mais da capacidade de processamento e dos custos operacionais. O Plonky2 oferece ao ecossistema Polygon as ferramentas essenciais para construir sistemas de segunda camada com desempenho e escalabilidade superiores, afirmando-se como tecnologia transformadora para o futuro da escalabilidade Ethereum.

FAQ

O que é o Plonky2? Quais são as principais características e vantagens?

Plonky2 é uma tecnologia ZK-SNARK recursiva desenvolvida pela Polygon, 100 vezes mais rápida que as alternativas existentes e totalmente compatível com Ethereum. Reúne benefícios do PLONK e do FRI para geração rápida de provas e melhor escalabilidade.

Quais as diferenças entre Plonky2 e outros frameworks de provas de conhecimento zero como Circom e ZoKrates?

Plonky2 utiliza campos Goldilocks pequenos e suporta recursividade eficiente, oferecendo desempenho superior face ao Circom e ZoKrates. Permite tempos ótimos de geração de provas e níveis elevados de segurança.

Quais os principais cenários de utilização do Plonky2?

Plonky2 é utilizado sobretudo em proteção de privacidade em blockchain, soluções de escalabilidade layer-2 e validação criptográfica. Permite provas de conhecimento zero para transações seguras e verificação de contratos inteligentes.

Como construir e validar provas de conhecimento zero com Plonky2?

Plonky2 permite criar provas de conhecimento zero para cálculos arbitrários verificáveis, recorrendo à composição eficiente de provas recursivas. Os circuitos podem ser otimizados com gates personalizadas para maior desempenho e escalabilidade.

Qual o desempenho do Plonky2? Quais os tempos de geração e validação das provas?

Plonky2 gera provas recursivas em 0,17 segundos num MacBook Pro, o que representa um aumento de velocidade de 100x face a soluções atuais. A validação é concluída em cerca de 20 segundos, proporcionando desempenho excecional em aplicações de provas de conhecimento zero.

Plonky2支持哪些编程语言和开发环境？

Plonky2主要支持Rust编程语言，为有Rust开发经验的开发者设计。它提供高效的零知识证明开发环境，支持模块化和可扩展的证明系统构建。

Qual é a relação entre Plonky2 e o algoritmo Plonk? Porquê o nome Plonky2?

Plonky2 é uma evolução do Plonk que substitui compromissos KZG por compromissos FRI provenientes da tecnologia STARK. O nome Plonky2 reflete esta evolução, aliando a eficiência do Plonk à resistência quântica e à maior velocidade de geração de provas proporcionadas pelo FRI.