ZKML이 Web3에서의 활용과 전망에 대한 심층 분석

2024.07.25

ZKML이 Web3에서의 활용과 전망에 대한 심층 분석

본문은 Worldcoin과 Vanna라는 두 사례를 출발점으로 하여 ZKML 기술의 발전과 과제를 깊이 있게 탐구하고, 블록체인 분야에서 이 기술의 광범위한 적용과 번영을 촉진하고자 한다.

2024.07.25 - 07:02:49

ZKML

Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰

블록체인 기술의 급속한 발전과 함께 데이터 프라이버시와 보안은 핵심 이슈로 떠올랐다. 제로지식 머신러닝(Zero-knowledge machine learning, ZKML)은 제로지식 증명(ZKP)의 보안성과 머신러닝(ML)의 지능성을 효과적으로 결합한 신기술로서, Web3 세계에 전례 없는 기회를 제공하고 있다.

현재 ZKML 기술은 블록체인 분야에서 광범위하게 적용되고 있으며, 주요 활용 분야는 다음과 같다:

하드웨어 가속: ZK 증명의 계산 복잡성으로 인해 Cysic, Ulvetanna 등의 프로젝트는 하드웨어 가속을 활용하여 체인 상의 계산 효율성을 향상시키고 있다.
체인 상 데이터 처리: Axiom, Herodotus 등의 프로젝트는 체인 상 데이터를 ML 훈련에 적합한 형식으로 변환하고, ML 출력 결과를 체인 상에서 쉽게 접근할 수 있도록 하는 데 집중하고 있다.
계산 회로화: ML 계산을 블록체인의 ZK 처리가 가능하도록 Modulus Labs, Jason Morton 등의 프로젝트는 ML 계산 패턴을 회로 형태로 변환하고 있다.
결과의 ZK 증명: ML 모델에 대한 신뢰 문제를 해결하기 위해 RISC Zero, Axium 등의 프로젝트는 ZK-SNARKs 기반 증명을 활용하여 모델의 진실성을 검증한다.

ZKML은 현재 급속도로 발전 중이며, 응용 분야에서는 Web3 탈중앙화 신원(DID) 구축에도 기여할 수 있다. 기존의 개인키, 시드 문구 등 신원 관리 방식은 Web3 사용자 경험을 저하시켰으나, 진정한 DID 구축은 ZKML을 통해 Web3 주체의 생체 정보를 식별함으로써 가능하며, 동시에 ZKML은 사용자 생체 정보의 프라이버시 보안도 보장할 수 있다. Worldcoin은 현재 ZKML을 활용하여 홍채 스캔 기반의 제로지식 DID 검증을 실현하고 있다.

본문은 Worldcoin과 Vanna 두 사례를 중심으로 ZKML 기술의 발전과 도전 과제를 심층적으로 탐구하고, 블록체인 분야에서의 폭넓은 적용과 번영을 촉진하고자 한다.

1. Worldcoin 사례 분석: 신원 인증 및 프라이버시 보호에서의 ZKML 활용

DApp이 Worldcoin에 접속

Worldcoin ID는 신원 인증에 사용될 수 있다. Worldcoin은 World App을 이용한 신원 인증을 위한 IDKit SDK를 제공하며, 구체적인 절차는 다음과 같다:

상기 절차를 거쳐 사용자의 생체 정보가 로그인 자격 증명으로 처리되며, 최종적으로 Worldcoin 앱 내에서 신원을 증명하는 proof가 생성된다.

Worldcoin에서의 ZKML 활용

Worldcoin에서 ML의 활용

사용자 단말에서 자체 관리되는 생체 인식 데이터 위에서 IrisCode 모델을 실행하여, 사용자가 로컬에서 유효하고 고유한 WorldID를 생성했는지를 검증하고, 유효한 신원 커밋이 있는 WorldID Semaphore 신원 그룹에서 _addMember(uint256 groupId, uint256 identityCommitment) 함수를 호출함으로써 프로토콜의 공개적이고 무허가적인 접근을 가능하게 한다.

Worldcoin에서 ZK의 활용

등록 절차

Worldcoin 등록 과정에서 사용자는 홍채 스캔을 통해 WorldID를 생성하고, 유효한 신원 커밋이 있는 Semaphore 신원 그룹에서 _addMember 함수를 호출하여 프로토콜의 공개적이고 무허가적인 접근을 실현한다.

Signup Sequencer: 등록 정렬기는 이더리움 스마트 컨트랙트에 일괄적으로 제출된 데이터(신원)를 정렬한다.

Semaphore MTB: SMTB는 Merkle 트리 업데이트를 일괄 처리하기 위한 서비스이다. Merkle 트리 업데이트를 받아들이고 이를 하나의 업데이트로 일괄 병합한다. 이는 블록체인에 제출해야 하는 트랜잭션 수를 줄이는 데 매우 유용하다. SNARK를 생성함으로써 일괄 Merkle 트리 업데이트의 정확성을 보장할 수 있다.

Tx Sitter: 트랜잭션에 서명하여 블록체인에 전송

Proof 입력값은 external nullifier(public 32바이트 값으로 검증의 고유성을 범위 설정함)와 secret identity nullifier이며, 이 두 값을 기반으로 nullifier hash를 계산하여 사용자 신원 식별에 사용한다.

로그인 절차

로그인 과정에서 사용자가 제출한 identity nullifier는 proof로 변환되며, 이 과정은 zkrollup과 유사하다. 사용자가 identity nullifier를 제출하면 여러 Merkle 상태 업데이트가 집계되어 블록체인에 게시된다.

요약

Worldcoin의 기술 구현은 IrisCode 모델의 로컬 실행, External-nullifier 생성, Semaphore MTB의 일괄 처리, Tx Sitter의 트랜잭션 처리 등 다수의 층위를 포함한다. 특히 IrisCode 모델을 실행하여 홍채를 World ID로 변환하는 과정은 사용자 단말에서 발생하며, 외부 노드가 실행하지 않아 사용자 프라이버시를 보호한다. 이러한 기술들의 결합을 통해 Worldcoin은 사용자 프라이버시를 보호하면서도 효율적이고 안전한 신원 인증을 실현할 수 있다.

Worldcoin 사례는 실제 응용에서 ZKML 기술의 잠재력과 효과를 보여준다. 제로지식 증명과 머신러닝을 결합함으로써 Worldcoin은 신원 인증의 보안성을 강화할 뿐만 아니라 사용자 프라이버시 보호에도 강력한 지원을 제공한다.

이 사례는 다른 블록체인 프로젝트들에게 귀중한 참고와 교훈을 제공한다.

2. Vanna 네트워크와 ZKML: 블록체인 내의 지능형 추론과 검증

Vanna 네트워크 개요

Vanna 네트워크는 혁신적인 블록체인 플랫폼으로, 효율적인 제로지식 증명 생성 및 검증 서비스 제공에 초점을 맞추고 있다. 블록체인의 투명성과 불변성과 더불어 제로지식 증명의 프라이버시 보호 특성을 결합하여 사용자에게 안전하고 신뢰할 수 있는 데이터 처리 환경을 제공한다.

Vanna 네트워크 기능

데이터 조회: 스마트 컨트랙트를 통한 체인 간 조회를 통해 오라클 피드 데이터 또는 체인 상 상태에 접근
사전 처리: Vanna의 내장 사전 컴파일러를 활용하여 조회된 원시 데이터를 전처리하여 추론을 준비
추론 실행: 사용자의 사례에 적합한 암호 보안 수준에서 매끄럽고 확장 가능한 방식으로 추론 실행
추론 검증: 모든 추론을 보장하는 암호화 증명은 Vanna 네트워크 상의 검증자 노드에 의해 검증됨
게시 및 추적: 추론 결과는 크로스체인 메시지를 통해 임의 체인의 컨트랙트로 전달되며, 데이터 가용성 계층에 게시될 수 있음

Vanna 네트워크 특징

병렬 추론 사전 실행

세 단계로 나뉨:

첫 번째 단계: 시뮬레이션

Vanna는 각 트랜잭션을 시뮬레이터로 실행하여 트랜잭션이 어떤 추론 요청을 할지를 파악한다. 여기서는 실행하지 않는다.

두 번째 단계: 추론 메모리 풀

트랜잭션과 그 추론 요청이 추론 메모리 풀에 추가되며, 이 메모리 풀은 요청을 Vanna 추론 노드로 전송한다. 여기서 추론과 증명을 수행해야 한다.

세 번째 단계: EVM 실행

추론 결과를 EVM에 주입하여 트랜잭션이 다른 변수를 읽는 것처럼 직접 읽을 수 있게 한다. 이후 트랜잭션을 실행하고 블록체인에 제출한다.

검증과 계산의 분리

Vanna 네트워크는 검증 노드와 추론 노드라는 두 가지 유형의 노드를 채택하며, 네트워크 검증과 추론 계산을 각각 두 유형의 노드로 분리한다.

검증 노드: Rollup 노드는 트랜잭션을 독립적으로 검증하고 Vanna 네트워크의 상태를 검증한다. Vanna 네트워크의 Rollup 노드는 또한 추론 노드가 생성한 암호화 증명 검증에도 참여한다.

추론 노드: 추론 노드는 네트워크 상의 트랜잭션과 블록을 검증하지 않고, AI/ML 추론 계산 및 추론을 위한 암호화 증명 생성에만 집중한다.

스테이킹과 페널티

Vanna 네트워크는 애플리케이션 계층 스테이킹 계약 형태로 암호경제적 보안을 제공한다. 추론 노드가 온라인에 접속하여 네트워크 보호에 참여할 때, Vanna 토큰을 담보물로 스테이킹 계약에 예치해야 한다. 스테이킹 계약은 추론 노드의 행동을 강제하며, 감축 조건에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지 않는다:

zkML- 암호적으로 검증할 수 없는 부당한 증명 생성
opML- 노드가 생성한 추론에 대한 도전 성공
zkFP- 노드가 생성한 추론에 대한 도전 성공, 또는 해당 추론의 ZK SNARK 증명 생성 실패

요약

Vanna 네트워크는 독특한 설계와 기능을 통해 블록체인에서 ZKML의 응용 가능성을 보여준다. 병렬 추론 사전 실행, 검증과 계산의 분리, 스테이킹과 페널티 메커니즘을 갖추고 있다.

3. ZKML 개발의 강력한 도구 EZKL: 제로지식 증명 생성과 검증의 단순화

EZKL 개요

EZKL은 프로그램의 고수준 설명을 받아 제로지식 증명기와 검증기를 설정한다. 주로 pytorch AI/ML 모델과 기타 계산 그래프 표현 프로그램에 중점을 둔다. 설정 후 증명기는 다음과 같은 진술을 증명할 수 있다:

"나는 이 공개된 신경망을 일부 비공개 데이터로 실행했으며, 이 출력을 생성했다"
"나는 나의 비공개 신경망을 일부 공개 데이터로 실행했으며, 이 출력을 생성했다"
"나는 이 공개된 신경망을 일부 공개 데이터로 올바르게 실행했으며, 이 출력을 생성했다"

EZKL 작업 흐름

EZKL 작업 흐름도는 아래와 같다:

신경망 모델 정의: 간단한 신경망 정의
모델 훈련: 입력 데이터 생성, 모델을 통해 출력 도출
모델 내보내기: 모델을 ONNX 형식으로 내보내기
제로지식 증명 설정 생성: 설정 파일 생성
회로 컴파일: 모델을 컴파일하여 회로 파일 생성
제로지식 증명 생성: SRS, witness 파일, 증명 키, 검증 키 생성
제로지식 증명 검증: 제로지식 증명 생성 및 로컬에서 검증하거나 EVM 검증기를 위한 Solidity 코드와 ABI 파일 생성, 컨트랙트 배포, 체인 상에서 증명 검증

4. ZKML의 도전과 전망

블록체인 기술의 지속적인 진화와 함께 제로지식 머신러닝(ZKML)은 응용 프라이버시와 보안성을 향상시키는 핵심 동력으로 점점 더 중요해지고 있다. 스마트 컨트랙트의 프라이버시 보호 및 탈중앙화 금융(DeFi) 보안성 강화 등의 혁신적 응용이 등장할 것을 예고할 뿐만 아니라, 블록체인 기술에서 필수불가결한 구성 요소가 되어 더욱 안전하고 프라이버시를 중시하는 디지털 세계를 구축하는 견고한 기술적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

도전

ZKML의 잠재력이 크지만, 응용 과정에서 몇 가지 도전 과제도 존재한다:

기술적 복잡성: ZKML 구현은 깊은 수학 및 암호학 지식을 필요로 하며, 개발 및 유지 관리의 난이도를 높이고, 개발자에게 더 높은 전문 기술을 요구한다.
성능 병목: 제로지식 증명 생성 및 검증 과정은 계산 집약적이며, 시스템의 반응 시간과 처리 능력에 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 Lumoz가 제공하는 모듈화된 컴퓨팅 계층과 같은 일부 프로젝트는 성능 향상을 목표로 한다.
사용자 수용도: ZKML은 강력한 프라이버시 보호 기능을 제공하지만, 사용자는 그 복잡성과 보안성에 대한 이해 부족으로 보류 태도를 취할 수 있다.
규제 도전: 프라이버시 보호 기술의 발전은 규제 기관이 새로운 기술이 가져오는 변화와 도전에 맞춰 관련 법규를 업데이트할 것을 요구한다.

전망

도전이 존재하지만, ZKML 기술과 블록체인 미래 발전의 심층적 융합은 희망이 가득하다:

기술 진보: 연구의 심화와 기술의 성숙에 따라 ZKML의 구현은 더욱 효율적이고 사용자 친화적으로 될 것이다.
사용자 교육: 교육과 보급을 통해 사용자가 ZKML 기술의 복잡성과 보안성에 대한 이해를 높이고, 수용도를 증가시킬 수 있다.
규제 적응: 규제 기관의 적응과 혁신은 ZKML 기술 발전에 법적·정책적 지원을 제공할 것이다.
응용 혁신: ZKML 기술의 지속적인 진보는 더 많은 혁신적 응용의 출현을 촉진하여 블록체인 기술이 더욱 광범위한 분야에서 활용되도록 할 것이다.

5. 맺음말

ZKML 기술의 발전은 블록체인 분야에서 큰 한 걸음이며, 새로운 데이터 프라이버시와 보안성 시대의 도래를 예고한다. 기술적 복잡성, 성능 병목, 규제 도전에 직면하여 우리는 낙관을 유지해야 하며, 기술의 진보와 사용자 수용도 향상에 따라 ZKML이 블록체인 분야에서 더욱 중요한 역할을 하며, 더욱 광범위한 응용과 혁신을 추진할 것이라 믿어야 한다.

참고 자료