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梳理ZK技術史:會是下一個千億應用的沃土嗎?_NAR

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Time:1900/1/1 0:00:00

原文標題:《我們研究了ZK的技術史,發現下一個千億應用蘊藏其上》

原文作者:Web3研究型組織R3PO

加密世界的焦點經歷了比特幣、以太坊、DeFi、NFT、元宇宙和Web3的多次變遷,唯獨缺少對加密技術本身的關注,除了比特幣的橢圓曲線加密算法還算有一點大眾認知度,其他加密算法基本停留在研究員和開發者的自嗨中。

R3PO認為這不夠去中心化,會嚴重阻礙Web3的進一步擴展,密碼學是區塊鏈的基礎件,不應該被少數人掌握,而應走向更廣闊的領域。

R3PO希望能用新的書寫范式去闡述術語的含義,兼顧專業性和可讀性,致力于為機構投資者、項目方發現潛藏在發展中的投資機會、創業方向和切入點,尋找到未被發掘的收益。

近期大熱的零知識證明技術仍是一個不斷發展、不斷革新的細分領域,但其技術本身又具備足夠廣闊的應用場景,因此對其進行全景梳理顯得十分重要。

零知識證明技術并非新概念,細細梳理可知,迄今已經經過40年的發展,誕生出多種模型和應用。

進入Web3時代,早在2017年,V神便已經注意到ZK技術在以太坊上的使用潛力,而最近Starkware獲得1億美元的融資使其總融資額度達2.25億,這代表機構是以公鏈級別的估值和潛力來看待ZK技術。這將是一個長期鏖戰的領域,會暴露出更多的投資機會。

向后推演20年,R3PO認為ZK發展至少具備一個甲子的生命長度,因此描繪整個ZK的發展歷程需要追本溯源,以更好地厘清其發展邏輯,尋找到下一步的潛在機會。

本系列首篇將會從零知識證明起步,超越ZK只能應用于L2領域的固有觀念,帶給大家全新的系統性認知。

24小時加密貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示,

BTC最新成交價格49253.46元,最高價達49585.25元,最低價格47893.68元,成交量1.72萬,漲幅0.65%;

ETH最新成交價格3886.76元,最高價達3945.44元,最低價格3783.06元,成交量10.97萬,跌幅0.51%;

BCH最新成交價格7291.1元,最高價達7508.46元,最低價格6974.65元,成交量3.35萬,跌幅0.5%。[2018/6/8]

零起步:ZK的組裝過程

1982:財不外露,便分高低

對于財富的追求自古有之,項羽就說過:「富貴不還鄉,如衣錦夜行」,但太多的財富會引人覬覦,有沒有一種辦法,在既不暴露財富數量的同時又比較出財富的多寡呢?

1982年,后來的圖靈獎得主姚期智便設想過這個問題,這就是著名的百萬富翁問題,省略其數學過程,其大致運作模式如下:

-Alice和Bob選擇代表自己財富數量的數字i和j,取值區間在1-10之間;

-?Alice對i進行單向加密,并將加密后的結果k發送給Bob,Bob得到一個與i相關的新值;

-?Bob對k進行運算后會得到一個新值m,并將其傳遞回Alice此時,Alice可以判斷m和i的關系。

-?這個過程可以繼續推演,雙方可在不完成信息暴露的前提下最終完成比較。

當然,以上過程并不全面,但足以說明一個問題,我們確實可以在兩方之間,并且在不暴露信息的前提下進行計算,如果將兩方擴展至多方,將區間擴展至更大范圍,那么這就是典型的多方安全計算MPC(SecureMulti-partyComputation)問題。

早間創新幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示,

EOS最新成交價格110.6元,最高價達117.12元,最低價格104.27元,成交量562.84萬,漲幅6.02%;

IOTA最新成交價格15.12元,最高價達16.94元,最低價格14.89元,成交量1077.67萬,跌幅2.8%;

DASH最新成交價格3098.74元,最高價達3228.91元,最低價格3085.76元,成交量0.77萬,跌幅2.61%;

NEO最新成交價格532.6元,最高價達566.25元,最低價格524.05元,成交量6.89萬,漲幅1.63%。[2018/5/5]

百萬富翁問題是ZK討論的一個起點:

-?在不暴露財富信息的前提下,符合零知識的定義;

-?在不借助第三方進行評估的條件下,考察的是兩者或者參與方之間的直接交互。

1985:零知識證明面世

1985年,Goldwasser、Micali和Rackoff首次提出Zero-KnowledgeProof模型,準確而言是「交互式零知識證明」模型,簡單而言就是允許在多次交互的前提下,通過ZK技術來驗證真假、大小。

此處的零知識并不完全準確,以Alice和Bob的互動為例,Alice和Bob可以互為驗證者和證明者,但是兩者間傳遞的信息不能和財富數量本身有關,這里的零知識是指相關性為零,而并非不傳遞信息。

而交互式指的是可以多次進行交互,這個過程可以反復進行,直至得出正確結果。

24小時數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示,

BTC最新成交價格59081.59元,最高價達60158.75元,最低價格55409.37元,成交量3.99萬,漲幅1.1%;

ETH最新成交價格4335.99元,最高價達4432.75元,最低價格4054.38元,成交量19.76萬,漲幅1.62%;

BCH最新成交價格8871.83元,最高價達9005.45元,最低價格8330.4元,成交量3.35萬,漲幅0.21%。[2018/4/29]

至此,目前所熟知的ZK技術邁出了成型的第一步,接下來的一切發展,都是在其上的刪減增改。

1991:非交互式零知識證明

當時間來到1991年,ManuelBlum、AlfredoSantis、SilvioMicali和GiuseppePersiano提出非交互式零知識證明,聞名即可知,此次升級重點是進行非交互式的證明過程,也就是在雙方之間不進行交互的同時,驗證一個定理、假說的真偽性,這看似很反直覺,但是有一個絕妙的例子可以說明:

-?Alice和Bob財富自由后變身數學家。Alice離開web2去環游web3,期間Alice繼續ZK研究。

-?我們假設Alice能夠在發現一個新定理的證明時,給Bob寫一張明信片,證明她在研究中取得了新進展。

-?這是一個非交互式的過程,準確的說,它是一個單方向的互動:只從Alice到Bob。即使Bob想回答,他也不可能。因為Alice沒有穩定的地址,在任何郵件能到達她之前就會搬走。

早間數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示,

BTC最新成交價格57367.50元,最高價達57948.70元,最低價格53422.60元,成交量0.06萬,漲幅3.81%;

ETH最新成交價格3509.88元,最高價達3633.53元,最低價格3447.05元,成交量2.20萬,跌幅0.03%;

BCH最新成交價格6622.16元,最高價達6794.77元,最低價格6372.46元,成交量0.45萬,跌幅0.58%;

ETC最新成交價格129.07元,最高價達134.60元,最低價格116.10元,成交量23.45萬,跌幅1.03%;

LTC最新成交價格1068.78元,最高價達1074.21元,最低價格1034.13元,成交量1.49萬,漲幅1.50%。[2018/3/21]

-?我們約定,只要Bob收到郵件,我們不需要查看郵件內容,就可以確定「Alice取得了研究上的新進展」這個命題為真。

非交互式零知識證明將交互次數減少到最多一次,可實現線下驗證和公開驗證,前者為Rollups奠定了有效性基礎,后者耦合區塊鏈的廣播機制,可避免多次計算帶來的資源浪費。

至此,我們目前見到的ZK便已經成為成熟理論模型,但此時的ZK更多是數學和密碼學領域的研究對象,和區塊鏈并無太多關聯,而在比特幣出現后,加密技術+區塊鏈才成為研究的方向,而ZK無疑是其中的佼佼者。

值得注意的是,中本聰本人并不排斥ZK技術在比特幣網絡的使用,更多的是當時的ZK技術不成熟,因此最終選擇了較為安全的ECC算法,而ZK本身可以直接應用到Layer1區塊鏈上,Zcash、Mina,以及以太坊的伊斯坦布爾升級都涉及到了零知識證明的相關領域。

12小時數字貨幣行情梳理:根據火幣交易平臺數據顯示,BTC最新成交價格10950.47美元,最高價達11490美元,最低價格10880美元,成交量6005BTC,跌幅3.53%;

ETH最新成交價格1171.82美元,最高價達1208.89美元,最低價格1123美元,成交量49322ETH,跌幅2.61%;

BCH最新成交價格1626.63美元,最高價達1704.99美元,最低價格1594美元,成交量9470BCH,跌幅3.48%;

ETC最新成交價格30.37美元,最高價達31.91美元,最低價格29.93美元,成交量183561ETC,跌幅4.04%;

LTC最新成交價格176.78美元,最高價達188美元,最低價格174.32美元,成交量36192LTC,跌幅3.99%。[2018/1/30]

一相逢:SNARK介入區塊鏈

2010-2014Zcash:SNARKs(Zero-KnowledgeSuccinctNon-InteractiveArgumentofKnowledge)實用化場景

在比特幣網絡出現后,安全和隱私成為人們對區塊鏈的最初認知。市場上出現了一系列基于隱私的公鏈和應用,如Zerocash/Zcash使用的SNARKs,以及在Monero中使用的子彈證明Bulletproofs等。

2010年,Groth實現了首個基于ECC算法的,O(1)常數級的ZK。也即ZK-SNARKs或者ZK-SNARGs。

-?SNARGs:SuccinctNon-InteractiveArguments

-?SNARKs:SuccinctNon-InteractiveArgumentsofKnowledge

從應用角度來說,此次改進在于「簡潔」Succinct功能上,具體而言,SNARK致力于壓縮信息本身的大小,在ZCash中,程序電路是固定的,因此多項式驗證也是固定的,這使得設置只需執行一次,交易后續只需改變輸入便可復用。

在2013年,Pinocchio協議提升效率至分鐘級別證明,以及毫秒級別的驗證時間,開銷控制在300字節以內,這也是ZK-SNARKs技術真正首次落地到區塊鏈領域。

這證明了ZK技術可以在隱私場景上發揮作用,R3PO判斷后續的隱私路線會具備脫離L2單獨存在的潛力,Aztec證明了隱私DeFi路線的可行性,而在tornado被制裁后,鏈上金融隱私仍舊是強烈的剛需,這個方向的投資機會仍未被廣泛發掘,值得后續期待。

此外,隱私幣項目Zerocash進一步改進了相關算法,使用的是SCIPRLab優化后的zk-SNARKs算法,在理論條件下,可以做到既隱藏付款來源、接受者和金額,并且交易可以控制在1KB以內,驗證時間在6ms之內。

Mina:遞歸ZK壓縮數據

Mina不同于以太坊L2,其是一條L1級別的高性能公鏈,其運行節點只有22KB,而之所以能做到如此之小,在于其大幅度利用遞歸來證明ZK確認的有效性,即每一條信息都帶有之前的確認結果。

-?Step1:zk-SNARKs證明節點有效性,只需要保存其證明結果;

-?Step2:通過遞歸調用,確保節點有效性的正確傳遞和檢索,不需要保留所有歷史數據,實現極致壓縮數據的效果;

傳遞結果的有效性,而非保存全節點數據,這是Mina證明行之有效的手段,而在以太坊L2,ZK-Rollup可以通過打包多次交易數據,結算一次的方式完成有效性證明,而進一步推演,L2之上可以疊加L3,或者Dapp應用,這些都是ZK可以發展的細分賽道,比如dYdX目前運行在Starkex之上,以及架構在Starkware之上的L2ImmutableX,都證明ZK的使用潛力,這個賽道的價值目前仍未被全部挖掘,仍留有長期的投資價值。

至此,ZK-Rollup涉及所有的技術要件就已經基本齊備了,我們已經裝備好足夠的ZK基礎知識,并且可以總結ZK的以下特點:

-?非交互式:不需要多次驗證,只需一次驗證就可以廣播至全網;

-?零知識:不需要透露信息本身的特征,可在全網進行公開傳播;

-?知識:知識不是公開、易得的信息,必須具備獨特的價值,比如經濟價值、隱私價值等;

-?證明:證明由數學手段確認,安全性經過多年研究和實踐檢驗;

如果將這些技術特點組合起來,我們可以發現,ZK天然適合L2擴容,并且又不局限于L2,ZK技術的其他應用會在后文中持續發表,歡迎大家繼續關注。

雙龍會:STARK終將取SNARK而代之

ZK-STARK:開發難度以10年計的種子選手

對比二者的差異,主要在于STARK中的S是Scalability之意,面向的是更加大型數據的復雜使用場景,但其整體上仍舊是一個正在發展中的技術路線。

本文不過多涉及具體L2之間的區別,但有一點很明顯,除StarkWare之外,其他的L2項目,包括zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等都采用的是SNARKs技術路線。

究其原因,在于STARK的開發難度過大,目前只有StarkWare有能力進行自研,但其好處也十分明顯,相較于SNARK,其可承載的運算量也會更大,在運行大型數據時,其安全性會更高,比如游戲、社交、NFT等方向。

其次,STARK路線具備抗量子攻擊的特性,這在未來十年具備顛覆行業格局能力的可能,比特幣采用的ECC算法并不能完全具備抗量子破解的可能,如果加入zk-STARKs技術,其安全性會顯著提高。

可以總結以太坊L2的格局,短期OptimisticRollup,5年后zk-SNARKs路線,10年后zk-STARK路線終將會勝出。

ZK-Rollup:數據的上探,信息的下鉆

介紹完zk-STARKs之后,L2擴容的全部技術特征便已完備,只缺少對Rollup的介紹,實際上,Rollup利用的是ZK的驗證機制,而擺脫其對數據量的需求:在L1負責共識和結算的前提下,由L2負責應用的具體日常運營,用戶不需要和L1直接交互,其體驗會高度接近于目前的App。

更進一步的說,Rollup在完成信息的打包后,會將驗證后的信息加密成知識,隨后傳遞給L1,以攻破安全性、去中心化和擴展性的不可能三角。

總結

我們從百萬富翁問題出發,由MPC問題過渡到零知識證明領域,出于經濟原因,交互式的零知識證明不完全適用于鏈上活動,而非交互零知識證明逐漸成為主流。

隨著Zcash的發展,SNARKs技術日漸應用到其中,使ZK技術從單純的密碼學研究對象變身為區塊鏈領域中使用的工程手段,在隱私、安全、效率方面發揮自己的作用。

以太坊擴容場景,則使ZK成就了L2,Rollup技術路線戰勝其他競爭對手,zk-STARKs也逐漸發展起來,有望激活挖礦、GameFi、NFT等更為普遍的使用場景。

在以太坊之外,越來越多的新模式已經逐步涌現,比如可定制模塊化Rollup路線,又如剛完成1500萬美元融資的Eclipse,其路線圖會支持Move語言和Solona網絡,以及完成3000萬美元融資的Scroll,其希望建立EVM等效的ZK-Rollup。

新故事背后的驅動力是對ZK技術的認可,廣泛來說,ZK是一個「大而全,長而遠」的領域,大額融資消息的不斷傳出也說明市場對其接受度在逐步走高,但總體而言,這還是一個新領域,即使僅論其技術路線,也有「內卷」的流派,而其中的投資機會則長期存在,無論是內嵌入底層基礎設施,還是落地于具體應用場景,需要我們不斷去發掘。

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