零知識證明:從理論突破到Web3應用場景

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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:

  • 2013年的Pinocchio:壓縮證明和驗證時間至實用範圍
  • 2016年的Groth16:精簡證明規模並提升驗證效率
  • 2017年的Bulletproofs:提出無需可信設置的短非交互式零知識證明
  • 2018年的zk-STARKs:提出無需可信設置的ZK-STARK協議

PLONK、Halo2等技術的出現也爲zk-SNARK帶來了進一步改進。

HashKey ZK 101 第一期:歷史原理與行業

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:

  • 使用SNARK的Zcash和Tornado
  • 使用Bulletproof的Monero

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。

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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。

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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:

  • 零知識:證明過程不泄露額外信息
  • 簡潔:驗證體積小
  • 非交互:無需多輪交互
  • 可靠性:有限計算能力的證明者無法僞造證明
  • 知識性:證明者必須知道有效信息才能構建證明

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以Groth16的zk-SNARK爲例,其證明原理包括以下步驟:

  1. 將問題轉換爲電路
  2. 將電路轉換爲R1CS形式
  3. R1CS轉換爲QAP形式
  4. 建立可信設置,生成隨機參數
  5. 生成和驗證zk-SNARK證明

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Frontrunnervip
· 5小時前
咦 还是不如L2香
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tx_pending_forevervip
· 5小時前
什么时候能讲懂zk…
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SelfRuggervip
· 5小時前
zk真香!终于救市了
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闪电鼠标手vip
· 5小時前
光速宇宙加速扩容咯~
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