💻 computer science

SNARKChain: Proof-of-Useful-Work Blockchain Consensus with General-Purpose SNARK Marketplace

Dit artikel introduceert SNARKChain, een nieuw Proof-of-Useful-Work-consensusprotocol dat de blockchain beveiligt door door de cliënt uitbestede SNARK-bewijsgeneratie direct in het mijnbouwproces te integreren, waardoor energieverspilling wordt geëlimineerd terwijl de eerste gedecentraliseerde marktplaats voor SNARK-bewijzen op het consensusniveau wordt gevestigd.

Oorspronkelijke auteurs: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Gepubliceerd 2026-07-14

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je de wereld van de blockchain voor als een gigantisch, wereldwijd digitaal grootboek waar iedereen op vertrouwt, maar dat door niemand alleen wordt beheerd. Om dit grootboek te beschermen tegen slechteriken, gebruiken de meeste blockchains een systeem genaamd Proof of Work (PoW). Denk aan een enorme, hoogtechnologische speurtocht waarbij computers racen om extreem moeilijke wiskundige puzzels op te lossen. De eerste die het oplost, krijgt het recht om de volgende pagina in het grootboek te schrijven en verdient een beloning.

Het probleem? Deze puzzels zijn als een bibliotheek verbranden om een vuurtje brandend te houden. Ze verbruiken een enorme hoeveelheid elektriciteit, maar produceren niets nuttigs buiten de blockchain zelf. Sommige rapporten suggereren dat slechts één beroemde blockchain (Bitcoin) verantwoordelijk kan zijn voor evenveel CO2-uitstoot als het hele land Griekenland in een jaar produceert!

Maak kennis met SNARKChain, een nieuw idee van een team onderzoekers van de Technische Universiteit van Brno. Zij vroegen zich af: Wat als de "nutteloze" puzzels die we oplossen om de blockchain veilig te houden, eigenlijk iets nuttigs konden doen voor de echte wereld?

Het Grote Idee: Puzzels Oplossen die Er Toe Doen

De onderzoekers stellen een systeem voor genaamd Proof of Useful Work (PoUW). In plaats van energie te verbranden aan willekeurige wiskundige problemen, zouden miners puzzels oplossen die zk-SNARKs genereren.

Om zk-SNARKs te begrijpen: stel je een goochelaar voor die kan bewijzen dat hij een geheim wachtwoord kent zonder het wachtwoord ooit hardop uit te spreken. Dit zijn krachtige instrumenten voor privacy en beveiliging in de digitale wereld, maar ze zijn extreem zwaar om te creëren. Ze vereisen enorme computers en veel tijd, waardoor ze te duur zijn voor gewone mensen om op eigen kracht te genereren.

SNARKChain verandert de blockchain in een gedecentraliseerde marktplaats. Zo werkt de magie:

Cliënten (mensen die deze magische bewijzen nodig hebben) plaatsen een verzoek op de blockchain.
Miners (de computers die het netwerk veilig houden) pakken deze verzoeken op.
Terwijl zij werken om de blockchain te beveiligen, genereren zij deze nuttige bewijzen als een "bijproduct".
Als een miner de puzzel correct oplost, krijgt hij het recht om een nieuwe blok aan de keten toe te voegen en een beloning te verdienen.

Volgens de auteurs is dit de eerste keer dat een dergelijke marktplaats direct in de kernlaag van de beveiliging van een blockchain is gebouwd.

Het Lastige Deel: Het Eerlijk Houden

De onderzoekers wisten dat het simpelweg vervangen van de ene puzzel door de andere niet genoeg was. Ze moesten ervoor zorgen dat het systeem de gouden regels van blockchain-beveiliging niet zou breken. Ze moesten een paar specifieke hoofdpijndossiers oplossen:

1. Het "Gestolen Werk"-probleem
In de oude dagen, als een miner een puzzel oploste maar de race verloor om de blok toe te voegen, was hun werk verspild. In SNARKChain, als een miner een bewijs genereert maar de loterij verliest om de blok te publiceren, is dat bewijs nutteloos voor anderen omdat het gekoppeld is aan een specifieke, unieke "integriteitsparameter" (een digitale vingerafdruk van de huidige blok). Dit voorkomt dat kwaadwillenden het harde werk van iemand anders stelen en voor zichzelf gebruiken.

2. Het "De Rijke Worden Rijker"-probleem
Als het systeem alleen de snelste computer zou belonen, zouden alleen de grootste, duurste miningfarms ooit zullen winnen. De onderzoekers ontwierpen een loterijsysteem om dit op te lossen.

Stel je voor dat een miner een bewijs genereert. In plaats van alleen te controleren of het "goed genoeg" is, werpt het systeem een digitale dobbelsteen.
Hoe groter en complexer het bewijs, hoe groter de kans om de loterij te winnen.
Dit betekent dat een kleinere miner met een zwakkere computer nog steeds een eerlijke kans heeft om te winnen, zolang ze maar blijven werken. De auteurs voerden simulaties (computermodellen) uit om dit te testen, en de resultaten suggereerden dat de beloningen eerlijk worden verdeeld op basis van de hoeveelheid werk die elke miner daadwerkelijk verricht.

3. Het "Verkeersopstopping"-probleem
Wat als iedereen tegelijkertijd dezelfde aanvraag probeert op te lossen? De onderzoekers stelden een "bucketing"-systeem voor. Denk aan een postkantoor met veel verschillende brievenbussen. In plaats van dat iedereen over één slot vecht, worden aanvragen in verschillende bakjes (buckets) gesorteerd. Miners kiezen een bakje en werken alleen aan de aanvragen die daarin zitten. Dit voorkomt dat miners elkaar in de weg zitten en energie verspillen. Hun simulaties toonden aan dat het gebruik van meer bakjes het verspilde werk aanzienlijk vermindert.

Wat het Papier Zegt (en Niet Zegt)

De auteurs zijn zeer voorzichtig in hun claims. Ze suggereren dat hun systeem werkt en demonstreerden de beveiligingsaspecten via simulaties. Ze beweerden niet een volledig draaiende, live blockchain te hebben gebouwd die jarenlang in de echte wereld is getest.

Ze sluiten ook expliciet enkele ideeën uit die logisch lijken maar niet werken:

Ze verwerpen het idee van "amortisatie": Je kunt niet simpelweg meerdere bewijzen samenvoegen om ze makkelijker te maken. Het systeem is zo ontworpen dat elk bewijs afzonderlijk vanaf nul moet worden berekend, zodat niemand kan bedriegen door minder werk te verrichten.
Ze verwerpen het idee van "pre-computing": Een miner kan vandaag niet stiekem een puzzel oplossen voor een blok dat pas volgende week bestaat. De puzzel verandert elke seconde op basis van de huidige staat van de blockchain, dus je moet het nu oplossen.

De Kern van het Verhaal

De onderzoekers hebben een systeem ontworpen waarbij de energie die wordt besteed aan het beveiligen van een blockchain niet verloren gaat. In plaats daarvan wordt die energie gebruikt om waardevolle cryptografische bewijzen te creëren die helpen andere delen van het internet privé en veilig te houden.

Hoewel ze via simulaties hebben aangetoond dat de wiskunde klopt en het systeem eerlijk is, erkennen ze dat de implementatie in de echte wereld een toekomstige stap is. Ze hebben de blauwdruk gelegd voor een blockchain die niet alleen energie verbrandt, maar ook echt iets nuttigs doet, waardoor het "nutteloze werk" van het verleden wordt omgezet in het "nuttige werk" van de toekomst.

Technische Samenvatting: SNARKChain – Proof-of-Useful-Work Blockchain met een Algemene SNARK-marktplaats

1. Probleemdefinitie

Proof of Work (PoW) blijft het meest veilige permissieloze consensusprotocol, maar lijdt onder aanzienlijke milieuefficiëntie door de afhankelijkheid van rekenintensieve puzzels die geen waarde buiten de blockchain genereren (bijv. hash-botsingen). Proof of Useful Work (PoUW) beoogt deze willekeurige puzzels te vervangen door taken die echte wereldwaarde genereren, zoals wetenschappelijke simulaties of cryptografische bewijzen. Echter, bestaande PoUW-voorstellen voldoen vaak niet aan de strikte veiligheidseisen van PoW, specifiek met betrekking tot versheid (weerstand tegen replay-aanvallen), integriteitsverankering in de keten en binding van de identiteit van de miner.

Tegelijkertijd is de generatie van Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge (zk-SNARKs) computationeel te zwaar voor veel gebruikers, wat outsourcing noodzakelijk maakt. Hoewel gedecentraliseerde marktplaatsen voor SNARK-generatie bestaan, opereren deze meestal op de applicatielaag of zijn ze beperkt tot gespecialiseerde circuits, waarbij ze er niet in slagen om de generatie van bewijzen direct in de consensuslaag te integreren terwijl algemene mogelijkheden behouden blijven.

2. Methodologie

De auteurs stellen SNARKChain voor, een nieuw consensusprotocol waarbij het "nuttige werk" de generatie van door cliënten uitbestede SNARK-bewijzen is. Het systeem functioneert als een gedecentraliseerde marktplaats waar miners bewijzen berekenen om het netwerk te beveiligen.

Kernarchitectuur

Het netwerk bestaat uit drie deelnemersrollen:

Cliënten: Dienent transacties in voor munten en "bewijs-transacties" die rekenkundige circuits en parameters bevatten om SNARK-generatie aan te vragen.
Miners (Full Nodes): Selecteren transacties, genereren de vereiste SNARK-bewijzen en concurreren om blokken te publiceren. Zij ontvangen beloningen voor blokken die geldige bewijzen bevatten.
Circuit Registry Nodes: Een gestaked subnetwerk dat verantwoordelijk is voor de gedecentraliseerde registratie van rekenkundige circuits, de opslag van bewijs- en verificatiesleutels, en deelname aan Secure Multi-Party Computation (SMPC) voor een vertrouwde setup (trusted setup).

Consensusmechanisme: De Loterij en Integriteit

Om de specifieke uitdagingen van PoUW aan te pakken, introduceert het protocol een Loterijmechanisme en Integriteitsbinding:

Loterij-gebaseerde Blokselectie: In plaats van miners te vereisen om een vaste moeilijkheidsdrempel te bereiken (wat leidt tot centralisatie door de machtigste miner), gebruikt het protocol een gewogen loterij. Telkens wanneer een miner een nieuw bewijs voor een blok genereert, wordt een loterijcontrole geactiveerd. De kans om te winnen ( $P_{win}$ ) is evenredig met de complexiteit ( $C_i$ ) van het gegenereerde bewijs ten opzichte van de huidige moeilijkheidsgraad ( $\kappa$ ):
$P_{win}(i) = \frac{C_i}{\kappa}$
Dit garandeert progressievrijheid: de kans om te winnen hangt alleen af van het meest recent gegenereerde bewijs, niet van de reeds bestede tijd aan het minen.
Integriteitsparameter ( $\eta$ ): Om bewijs-diefstal en replay-aanvallen te voorkomen, wordt elk rekenkundig circuit aangepast om een publieke integrity-parameter te bevatten. Deze parameter wordt afgeleid van de hash van de blokheader die wordt geconstrueerd. Als een miner de loterij niet wint, moet hij de integriteitsparameter opnieuw berekenen om het nieuw gegenereerde bewijs in te sluiten, wat een cryptografisch gekoppelde keten van bewijzen binnen het blok creëert. Dit zorgt ervoor dat een bewijs niet in een ander blok kan worden hergebruikt zonder de verificatie ongeldig te maken.
Preventie van Amortisatie: Om te voorkomen dat miners een oneerlijk voordeel behalen door bewijzen te bundelen (batching), gebruikt het systeem een mask-parameter (een combinatie van het adres van de miner en het aantal circuit-gebruik) en zorgt het ervoor dat het wijzigen van publieke inputs (zoals de integriteitsparameter) de volledige QAP-evaluatie in Groth16 ongeldig maakt, wat een volledige herberekening vereist.
Bucketing: Om verspild werk te verminderen als gevolg van overlappende transacties wanneer meerdere miners parallel werken, partitioneert het protocol de transactieruimte in "buckets" op basis van transactiehash-prefixes. Miners selecteren een bucket, wat zorgt voor disjuncte transactiesets en conflicten minimaliseert.

Cryptografische Details

Het systeem maakt gebruik van Groth16 SNARKs. De auteurs hebben gekozen voor Groth16 vanwege de constante bewijsgrootte (128 bytes) en de lineaire bewijstijd ten opzichte van het aantal constraints. Het protocol ondersteunt algemene circuits (gedefinieerd in DSL's zoals ZoKrates of Circom) in plaats van beperkt te zijn tot één enkel gespecialiseerd circuit.

3. Belangrijkste Bijdragen

Het artikel claimt de volgende bijdragen:

Eerste SNARK-marktplaats op de Consensuslaag: Het voorstel vertegenwoordigt de eerste gedecentraliseerde marktplaats voor algemene zk-SNARK-generatie die direct op de consensuslaag opereert, waar de generatie van bewijzen onscheidbaar is van de blokbeveiliging.
PoUW Protocol Ontwerp: Een nieuwe aanpak voor het uitbesteden van de rekenintensieve SNARK-berekeningen aan nodes, waarbij alle kritieke PoW-eigenschappen worden vervuld (asymmetrie, granulariteit, amortisatie-vrijheid, onafhankelijkheid, efficiëntie, onvervalsbaarheid, versheid, determinisme, progressievrijheid en publieke verifieerbaarheid).
Afhandeling van Private Inputs: Het artikel stelt een methode voor (gedetailleerd in de Appendix) voor het afhandelen van bewijzen met private parameters via witness-obfuscatie outsourcing, waarmee de beperking van publieke-alleen parameters uit het initiële ontwerp wordt aangepakt.
Veiligheidsanalyse: Een formele analyse en simulatie (met behulp van Stochastic Time Colored Petri Nets) die aantoont dat het protocol eerlijkheid en veiligheidseigenschappen handhaaft.

4. Resultaten en Evaluatie

De auteurs hebben het protocol geëvalueerd met behulp van een Petri-net model om vier hypothesen te testen:

H1 (Eerlijkheid): De beloningsverdeling staat in verhouding tot de miningkracht. Simulaties bevestigden dat blokbeloningen lineair schalen met rekenkracht. Echter, de bewijsbeloningen vertoonden een kwadratische afhankelijkheid van de kracht, wat suggereert dat bewijsbeloningen ten opzichte van blokbeloningen geminimaliseerd moeten worden om centralisatie van mining pools te voorkomen.
H2 (Onafhankelijkheid): De complexiteit van geselecteerde bewijzen beïnvloedt de beloningen niet oneerlijk. Resultaten gaven aan dat miners met een voorkeur voor grotere bewijzen geen onevenredig hoge blokbeloningen ontvingen, hoewel zij meer bewijzen genereerden.
H3 (Centralisatie vs. Efficiëntie): Het introduceren van een parameter ( $\psi$ ) om langere bewijsketens te bevoordelen, vermindert verspild werk maar verhoogt de centralisatie. De afweging suggereert dat hoewel de efficiëntie verbeterd kan worden, dit het risico loopt de eerlijkheid van het netwerk in gevaar te brengen.
H4 (Bucketing): Het verhogen van het aantal buckets vermindert het verspilde werk veroorzaakt door transactie-overlappen aanzienlijk. De simulatie toonde aan dat een hoger aantal buckets correleert met een lager percentage verspild werk.

De analyse bevestigt dat Groth16 de noodzakelijke lineaire schaling voor de bewijsgeneratietijd biedt, waardoor het protocol voorspelbaar en schaalbaar is.

5. Betekenis en Claims

Het artikel positioneert SNARKChain als een oplossing voor de dubbele uitdagingen van energieverspilling in blockchains en de hoge kosten van zk-SNARK-generatie.

Veiligheid: In tegenstelling tot eerdere PoUW-voorstellen, embedt dit systeem de integriteit van de keten en de identiteit van de miner direct in de oplossingen van de puzzels, waardoor het voldoet aan de strikte eisen van "versheid" en "onvervalsbaarheid" van PoW.
Nut: Het transformeert de "verspilling" van PoW naar waardevolle cryptografische bewijzen die kunnen worden gebruikt voor privacy, schaalbaarheid en cross-chain interoperabiliteit in bredere toepassingen.
Nieuwigheid: De auteurs stellen dat dit naar hun weten het eerste systeem is dat er succesvol in is geslaagd om algemene SNARK-generatie in de consensuslaag te integreren terwijl alle noodzakelijke PoW-eigenschappen worden voldaan.

De studie concludeert dat hoewel er uitdagingen blijven bestaan (zoals de afweging tussen verspild werk en centralisatie via de $\psi$ -parameter), het voorgestelde protocol een levensvatbaar pad biedt naar veilige, energie-efficiënte blockchains die nuttige cryptografische bijproducten produceren.