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零知識證明入門指南: 發展歷史、應用和基本原理_STA

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從頭梳理ZKP理論和應用層面的一些變化。撰文:HashKeyCapital

當前區塊鏈行業里零知識證明項目增速驚人,特別是ZKP在擴容和隱私保護兩個層面應用的崛起,令我們接觸到了各種花樣繁多的零知識證明項目。由于ZKP極富數學性的特質,對于加密愛好者來說,想要深度了解ZK的難度大幅提升。因此我們也希望從頭梳理ZKP理論和應用層面的一些變化,與讀者一起探索對于crypto行業的影響和價值——通過幾篇報告的形式共同學習,也作為HashKeyCapital研究團隊的思考總結。本篇是該系列的第一篇,主要介紹ZKP的發展歷史、應用和一些基本原理。

一、零知識證明的歷史

現代零知識證明體系最早來源于Goldwasser、Micali和Rackoff合作發表的論文:TheKnowledgeComplexityofInteractiveProofSystems,該論文提出于1985年,發表于1989年。這篇論文主要闡釋的是在一個交互系統中,經過K輪交互,需要多少知識被交換,從而證明一個證言是正確的。如果可以讓交換的知識為零,則被稱之為零知識證明。這里面會假設證明者具有無限資源,而驗證者只具有有限資源。而交互式系統的問題在于證明不完全是數學上可證的,而是概率意義上正確的,雖然概率很小(1/2^n)。

所以交互式系統并不完美,只有近似完備性,以此為基礎誕生的非交互式系統系統則具有完備性,成為零知識證明系統的完美所選。

早年的零知識證明系統在效率以及可用性方面都有所欠缺,所以一直都停留在理論層面,直到最近10年才開始蓬勃發展,伴隨著密碼學在crypto成為顯學,零知識證明走向臺前,成為至關重要的一個方向。特別是發展出一個通用的、非交互的、證明大小有限的零知識證明協議,是其中最關鍵的探索方向之一。

安全公司Dedaub因披露Uniswap重入漏洞獲得4萬美元漏洞賞金:1月3日消息,安全公司 Dedaub 團隊宣布獲得 Uniswap Labs 的 4 萬枚 USDC 安全漏洞賞金,因為其披露 Uniswap 的一個嚴重漏洞,該漏洞有重入并耗盡用戶的資金的可能性。不過,Uniswap 團隊已解決該漏洞并在所有鏈上重新部署了 Universal Router 智能合約,資金是安全的。

Uniswap 在 2022 年 11 月份發布通用路由器Universal Router智能合約,可將 ERC20 和 NFT 兌換統一到一個交換路由器中,用戶可以執行異構操作,例如,在一筆交易中交換多個 Token 和 NFT。

Dedaub 表示,該路由器為各種 Token 操作嵌入了腳本語言,此類命令可能包括向第三方(可能不受信任的)接收人的傳輸。如果在傳輸過程中的任何時候調用第三方代碼,該代碼可以重新進入 UniversalRouter 并在合約中臨時認領任何 Token。Dedaub 建議 Uniswap 為新路由器的核心執行添加一個重入鎖,并重新部署。[2023/1/4 9:50:22]

基本上零知識證明就是要在證明的速度、驗證的速度和證明體積的大小之間做取舍,理想的協議是證明快、驗證快、證明體積小。

零知識證明最重要的突破是Groth在2010年的論文ShortPairing-basedNon-interactiveZero-KnowledgeArguments,也是ZKP里面最重要的一組zk-SNARK的理論先驅。

零知識證明在應用上最重要的進展就是2015年Z-cash使用的零知識證明系統,實現了對交易及金額隱私的保護,后來發展到zk-SNARK和智能合約相結合,zk-SNARK進入了更為廣泛的應用場景。

BUSD市值在兩個月增漲22%:金色財經報道,8月中旬,也就是68天前,穩定幣BUSD的市值約為177億美元,此后上漲了22.88%,達到今天的217.8億美元。BUSD的增長正值前兩大穩定幣USDT和USDC的市值下降之際。[2022/10/23 16:35:55]

在此期間,一些重要的學術成果包括:

2013年的Pinocchio(PGHR13):Pinocchio:NearlyPracticalVerifiableComputation,將證明和驗證時間壓縮到適用范圍,也是Zcash使用的基礎協議。

2016年的Groth16:OntheSizeofPairing-basedNon-interactiveArguments,精簡了證明的大小,并提升了驗證效率,是目前應用最多的ZK基礎算法。

2017年的Bulletproofs(BBBPWM17)Bulletproofs:ShortProofsforConfidentialTransactionsandMore,提出了Bulletproof算法,非常短的非交互式零知識證明,不需要可信的設置,6個月以后應用于Monero,是非常快的理論到應用的結合。

2018年的zk-STARKs(BBHR18)Scalable,transparent,andpost-quantumsecurecomputationalintegrity,提出了不需要可信設置的ZK-STARK算法協議,這也是目前ZK發展另一個讓人矚目的方向,也以此為基礎誕生了StarkWare這個最重量級的ZK項目。

Synthetix:將在以太坊合并前3小時暫停協議絕大多數功能:9月2日消息,去中心化合成資產協議Synthetix發博表示,將在以太坊合并前 3 小時暫停協大多數功能,包括合成交易所、期貨、貸款、質押(認領、鑄造、銷毀)和橋接等功能,SNX 代幣仍可轉讓。Synthetix 將在確保 Chainlink 喂價和協議的其余部分穩定后恢復活動。[2022/9/2 13:03:06]

其他的發展包括PLONK、Halo2等也是極為重要的進展,也對zk-SNARK做出了某些層面上的改進。

二、零知識證明的應用簡述

零知識證明最廣泛的兩個應用就是隱私保護和擴容。早期隨著隱私交易和幾個有名的項目Zcash和Monero等推出,隱私交易一度成為非常重要的門類,但由于隱私交易的必要性并沒有業界希望的那樣突出,因此這一類代表性項目開始慢慢進入二三線的陣營。而應用層面,擴容的必要性提升到無以復加,隨著以太坊2.0在2020年轉變為以rollup為中心的路線,ZK系列正式又回歸業界的視線,成為焦點。

隱私交易:隱私交易有很多已經實現的項目,包括使用SNARK的Zcash,Tornado,使用bulletproof的Monero,以及Dash。Dash嚴格意義上用的不是ZKP,而是一種簡單粗暴的混幣系統,只可以隱藏地址而不能隱藏金額,在此略過不表。

Zcash應用的zk-SNARKs交易步驟如下:

Coinbase Wallet整合OpenSea和Rarible訂單:金色財經報道,據Coinbase錢包官方社交媒體賬號發文,Coinbase Wallet已進行升級,旨在使NFT交易可以更加無縫地完成,并且對新用戶更加友好。此外,Coinbase錢包功能還得到了進一步拓展,可以廣播NFT市場OpenSea和Rarible的報價信息,這意味著用戶可以在Coinbase錢包上查看NFT訂單,而且還可能通過錢包內置工具接受或巨鯨報價。OpenSea 是 Web3 中最受歡迎的 NFT 市場,每天處理 25,000 到 30,000 個用戶的訂單,目前其智能合約已經部署到以太坊 (ETH)、Solana (SOL) 和Polygon (MATIC) 區塊鏈,而Rarible NFT市場目前支持以太坊 (ETH)、Tezos (XTZ) 和 Flow (FLOW) 區塊鏈。[2022/7/23 2:33:20]

Source:DemystifyingtheRoleofzk-SNARKsinZcash

Systemsetup階段生成證明秘鑰和驗證秘鑰,借助KeyGenfunction

CPA階段ECIES加密方法用來生成公鑰和私鑰

MintingCoins階段,生成新幣的數量。公共地址和幣的commitment

Pouring階段,生成zk-SNARK證明,證明被加到了pour交易賬本中

Verification階段,驗證者驗證Mint和Pour的交易量是否正確

Receiving階段,receiver接收幣。如果想使用收到的幣,則繼續調用Pouring,形成zk-SNARK驗證,重復上述4-6的步驟,完成交易。

Meta申請META PAY商標,或將推出包含加密貨幣的支付平臺:5月18日消息,商標注冊申請信息顯示,Facebook、Instagram和Whatsapp的母公司Meta已為META PAY提交5項新商標申請。申請文件顯示,Meta計劃推出支付平臺META PAY,用戶可以在其中兌換法定貨幣和加密貨幣。

據此前報道,Meta提交8項商標申請,涉及元宇宙內的加密交易、區塊鏈軟件等。(DomainGang)[2022/5/18 3:25:56]

Zcash使用零知識還是有局限性的,就是其基于UTXO,所以部分交易信息只是被shield了,而不是真正的掩蓋。因為其基于比特幣的設計的單獨網絡,所以難以擴展。真正使用shielding的使用率只有不到10%,說明隱私交易并沒有很成功的擴展。

Tornado使用的單一大混幣池更加通用,而且基于以太坊這樣“久經考驗”的網絡。Torndao本質上就是一個用了zk-SNARK的混幣池,可信設置基于Groth16的論文。TornadoCash可以提供的特性包括:

只有被存進去的coin可以被提取

沒有幣可以被提取兩次

證明過程和幣的廢止通知是綁定的,相同證明但不同Nullifier的哈希不會允許提幣

安全性有126-bit的安全,不會因為composition而降級

Vitalik提到過,和擴容相比,隱私相對比較容易實現,如果一些擴容的protocol都可以成立的話,隱私基本上不會成為問題。

擴容:ZK的擴容可以在一層網絡上做,如Mina,也可以在二層網絡上做,即zk-rollup.ZKrollup的思路可能最早來自于Vitalik于2018的post,On-chainscalingtopotentially~500tx/secthroughmasstxvalidation。

ZK-rollup有兩類角色,一類是Sequencer,還有一個是Aggregator。Sequencer負責打包交易,Aggregator負責將大量的交易合并并創造一個rollup,并形成一個SNARK證明,這個證明會和Layer1以前的狀態進行比較,進而更新以太坊的Merkle樹,計算新的狀態樹。

Source:Polygon

ZKrollup的優缺點:

優點:費用低,不像OP會被經濟攻擊,不需要延遲交易,可以保護隱私,快速達成最終性

缺點:形成ZK證明需要大計算量,安全問題,不抗量子攻擊,交易順序可能被改變

Source:以太坊research

根據數據可用性以及證明的方法,Starkware對L2有一張經典的分類圖:

Source:Starkware

目前市場上最有競爭力的ZKrollup項目有:Starkware的StarkNet,Matterlabs的zkSync和Aztec的Aztecconnect,Polygon的Hermez和Miden,Loopring,Scroll等。

基本上技術路線就在于SNARK(及其改進版本)和STARK的選擇,以及對EVM的支持。

Aztec開發了通用化的SNARK協議-Plonk協議,運行中的Aztec3可能會支持EVM,但是隱私優先于EVM兼容

Starnet用的是zk-STARK,一種不需要可信設置的zkp,但是目前不支持EVM,有自己的編譯器和開發語言

zkSync也是用的plonk,支持EVM。zkSync2.0是EVM兼容的,有自己的zkEVM

Scroll,一種EVM兼容的ZKrollup,團隊也是以太坊基金會zkEVM項目的重要貢獻者

簡要討論下EVM兼容性問題:

ZK系統和EVM的兼容一直令人頭疼,一般項目會在兩者間取舍。強調ZK的可能會在自己的系統里做一個虛擬機,并有自己的ZK語言以及編譯器,但會加重開發者的學習難度,而且因為基本上不開源,會變成一個黑箱子。一般業界目前是兩種選擇,一是和Solidity的操作碼完全兼容,另一種是設計一種新的虛擬機同時ZK友好并兼容Solidity。業界一開始也沒有想到可以這么快的融合,但是近一兩年技術的快速迭代,讓EVM的兼容提升到一個新高度,開發者可以做到一定程度的無縫遷移,是振奮人心的進展,這將影響ZK的開發生態和競爭格局。我們會在之后的報告中仔細討論這個問題。

三、ZKSNARK實現的基本原理

Goldwasser、Micali和Rackoff提出了零知識證明有三個性質:

完整性:每一個擁有合理見證的聲明,都是可以被驗證者驗證的

可靠性:每一個只擁有不合理見證的聲明,都不應該被驗證者驗證

零知識:驗證過程是零知識的

所以為了了解ZKP,我們從zk-SNARK開始,因為很多目前的區塊鏈應用都是從SNARK開始。首先,我們先了解一下zk-SNARK。

zk-SNARK的意思是:零知識證明是zero-knowledgeSuccintNon-interactiveARgumentsofKnowledge。

ZeroKnowledge:證明過程零知識,不會暴露多余信息

Succinct:驗證體積小

Non-interactive:非交互過程

ARguments:計算具備可靠性,即有限計算能力的證明者不能偽造證明,無限計算能力的證明者可以偽造證明

ofKnowledge:證明者無法在不知道有效信息的情況下構建出一個參數和證明

對于證明者來說,在不知道證據的情況下,構造出一組參數和證明是不可能的。

Groth16的zk-SNARK的證明原理和如下:

Source:https://learnblockchain.cn/article/3220

步驟是:

將問題轉換為電路

將電路拍平成R1CS的形式.

R1CS轉換成QAP形式

建立trustedsetup,生成隨機參數,包括PK(provingkey),VK(verifyingkey)

zk-SNARK的證明生成和驗證

下一篇我們將開始研究zk-SNARK的原理、應用,通過幾個案例來透視ZK-SNARK的發展,并探索它與zk-STARK的關系等。

來源:金色財經

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