Zero-knowlege Virtual Machines

Abstract

Tato práce se zabývá konceptem důkazů s nulovou znalostí a jejich využitím v tzv. zkVMs - virtuálních strojích umožňujících generovat důkazy o správnosti výpočtů bez odhalení vstupních dat. Nejprve představujeme základní kryptografické nástroje, jako jsou zk-SNARKs a zk-STARKs, včetně pomocných mechanismů jako jsou lookup tabulky. Následně představujeme architekturu dvou konkrétních zkVM implementací: RISC Zero a SP1. Popisujeme jejich rozdílné přístupy k důkaznímu systému, způsobům rekurze a použitým optimalizacím. V závěrečné části prezentujeme srovnávací testy těchto dvou systémů na několika příkladech, které ukazují jejich výkonnostní rozdíly. Práce poukazuje na výhody RISC Zero v oblasti rychlosti ověřování a velikosti důkazu, zatímco SP1 vyniká rychlejším generováním důkazů a nižšími nároky na výpočetní cykly.

This thesis explores the concept of zero-knowledge proofs and their application in zkVMs - virtual machines capable of generating proofs of correct computation without revealing private input. We begin by introducing fundamental cryptographic tools such as zk-SNARKs and zk-STARKs, along with supporting techniques such as lookup tables. We then analyze the architecture of two concrete zkVM implementations: RISC Zero and SP1. We describe their different approaches to proof systems, recursion mechanisms, and optimization strategies. In the final part, we present comparative benchmarks on various examples, highlighting their performance differences. The results show that RISC Zero produces smaller proofs and has faster verification, while SP1 is faster in proof generation and requires fewer computation cycles.