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零知識證明:從理論突破到Web3應用場景
零知識證明:歷史、應用與原理
一、零知識證明的發展歷程
現代零知識證明體系起源於1985年Goldwasser、Micali和Rackoff合作的論文。該論文探討了在交互系統中,通過多輪交互來證明一個陳述正確性所需交換的知識量。如果可以實現零知識交換,就被稱爲零知識證明。早期的零知識證明系統在效率和實用性方面存在不足,主要停留在理論層面。
近十年來,隨着密碼學在加密貨幣領域的興起,零知識證明開始蓬勃發展。其中,構建通用、非交互、證明規模有限的零知識證明協議成爲關鍵探索方向之一。零知識證明的核心在於權衡證明速度、驗證速度和證明體積大小。
2010年Groth發表的論文是零知識證明領域的重要突破,爲zk-SNARK奠定了理論基礎。2015年,Zcash採用零知識證明系統實現交易隱私保護,標志着該技術在應用層面的重要進展。此後,zk-SNARK與智能合約結合,拓展了更廣泛的應用場景。
其他重要學術成果包括:
PLONK、Halo2等技術的出現也爲zk-SNARK帶來了進一步改進。
二、零知識證明的應用
零知識證明最廣泛的兩個應用是隱私保護和擴容。早期隱私交易項目如Zcash和Monero一度備受關注,但由於實際需求不及預期,逐漸淡出主流。近年來,隨着以太坊2.0轉向以rollup爲中心的路線,基於ZK的擴容方案重新成爲焦點。
隱私交易
隱私交易的代表項目包括:
以Zcash爲例,其zk-SNARKs交易流程包括:系統設置、密鑰生成、鑄幣、交易、驗證和接收等步驟。然而,Zcash仍存在一些局限性,如基於UTXO模型、難以擴展等。真正使用隱私交易的比例不到10%,說明其推廣並不成功。
相比之下,Tornado採用單一大混幣池的方式更加通用,且基於以太坊網路。Tornado本質上是一個使用zk-SNARK的混幣池,可以提供多項隱私保護特性。
擴容
ZK在擴容方面的應用可分爲一層網路(如Mina)和二層網路(即zk-rollup)。zk-rollup的核心思想最早由Vitalik在2018年提出。
zk-rollup主要涉及Sequencer和Aggregator兩類角色。Sequencer負責打包交易,Aggregator負責合並交易並生成ZK證明,用於更新以太坊狀態樹。
zk-rollup的優勢包括:低費用、快速最終性、隱私保護等。缺點則包括:計算量大、安全性考量(如SNARK需要可信設置)、可能改變交易順序等。
目前市場上主要的zk-rollup項目有:StarkNet、zkSync、Aztec Connect、Polygon Hermez/Miden、Loopring、Scroll等。這些項目在技術路線上主要在SNARK(及其改進版本)和STARK之間選擇,以及對EVM的支持程度。
ZK系統與EVM的兼容性一直是業界關注的焦點。目前主要有兩種方案:完全兼容Solidity操作碼,或設計新的ZK友好虛擬機並兼容Solidity。近年來技術快速迭代,EVM兼容性顯著提升,爲開發者提供了更多便利。
三、ZK SNARK的基本原理
零知識證明需滿足三個性質:完整性、可靠性和零知識性。zk-SNARK(Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge)作爲一種重要的零知識證明方案,具有以下特點:
以Groth16的zk-SNARK爲例,其證明原理包括以下步驟: