作者:Chloe
Crypto行業被廣泛關注的零知識證明(Zero—Knowledge Proof)技術,并非是這幾年剛冒出來的新技術,而是在1980年就被數學家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。
零知識證明涉及一系列步驟,可以實現密碼學中的「可用而不可知」。
而區塊鏈有著公開透明、不可篡改等特征,意味著加密投資者的鏈上資產及交易記錄是沒有隱私可言的,于是零知識證明技術被引入了區塊鏈,當中以zk-SNARK和zk-STARK最為關注。
zk-SNARK被項目方采用得最多,zk-STARK則被密碼學專家認為優于ZK-SNARK。那么綜合技術與實際應用,二者誰更優?
zk-SNARK:簡潔 + 非交互性
Alessandro Chiesa等人在2012年開發了zk-SNARK協議,這是一種簡潔化、非交互式的零知識證明技術,全稱是zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge,可以拆解成三部分來理解:
零知識證明公司RISC Zero與L2協議Layer N聯合推出零知識欺詐證明系統:5月24日消息,零知識證明初創公司RISC Zero宣布與模塊化L2協議Layer N聯合推出零知識欺詐證明系統。該系統通過將Layer N的執行環境移植到RISC Zero的zk虛擬機上,以實現提升區塊鏈性能的同時,保證區塊鏈的可靠性和安全性。未來,zkVM還將實現與其他執行層的兼容,如EVM、SVM和WASM等。
此前報道,去年8月,零知識證明初創公司RISC Zero宣布完成1200萬美元種子輪融資,Bain Capital Crypto領投。[2023/5/24 22:15:02]
zero-knowledge:
零知識證明,在不暴露隱私情況下向對方證明一件事情,讓數據「可用而不可知」。
succinct:
零知識證明初創公司RISC Zero完成1200萬美元種子輪融資:8月9日消息,零知識證明初創公司 RISC Zero 宣布完成 1200 萬美元種子輪融資,Bain Capital Crypto 領投,Geometry 、D1 Ventures 和 Cota Capital 等參投。本輪所融資金將用于構建對開發人員友好的可擴展區塊鏈。今年 3 月,RISC Zero 推出了零知識證明虛擬機,該虛擬機使開發人員能夠構建零知識證明,并使用各種編程語言在任何計算機上執行。(The Block)[2022/8/9 12:13:26]
簡潔性,要證明的東西占用的空間很小,而且可以快速驗證(幾毫秒)。
non-interactive:
非交互性,意味著證明者和驗證者之間不需要有交集即可快速地得到驗證結果。
以太坊生態零知識協議Semaphore發布V2版本:7月7日消息,以太坊生態針對開發者的零知識協議 Semaphore 推出 V2 版本,更新內容包括不再需要擁有 EdDSA 私鑰,從而實現更簡單的電路(circuit)和更高效的零知識證明生成;用于身份承諾和 Merkle 樹的哈希函數從 MiMC 遷移到 Poseidon,將證明時間減半并提高了 Gas 效率;合約模塊化、三個新的 JavaScript 庫等。
Semaphore 最早由以太坊社區成員 Kobi Gurkan、Koh Wei Jie 和 Barry Whitehat 提出,在 2019 年發布 V1 版,可以讓以太坊用戶可以證明他們的群組成員身份,并在不透露原始身份的情況下發送諸如投票或支持的信號。Semaphore 不是面向用戶的應用程序,旨在為以太坊開發人員提供強大而簡單的工具,以使用私有憑據構建 DApp。[2022/7/7 1:57:35]
zk-SNARK的簡潔性和非交互性,是相對于傳統的零知識證明方案而言的。
零知識證明研發機構StarkWare將在幾周內開源ethSTARK:零知識證明研發機構 StarkWare 稱,2018年我們獲得以太坊基金會的資助去探索對 STARK 友好的哈希函數以及開源 ZKP 代碼。我們將在幾周內提前完成我們的工作。ethSTARK代碼的運行速度將比現有的任何 ZKP 代碼快20倍。注,2018年7月份,StarkWare稱獲得了以太坊基金會的資助(現金+代幣),將研發對STARK 友好的哈希函數和技術,并為生態系統提供開源代碼。STARK將允許區塊鏈在兼備隱私和后量子安全的情況下進行大規模擴展(例如分片)。[2020/5/26]
簡單來說,傳統方案是交互式證明,即示證者(宣稱某一命題為真)和驗證者(確認該命題確實為真)之間反復確認,你可以理解為示證者不斷向驗證者詢問“是或不是?”,然后驗證者不斷給出回答,直到最后碰出一個正確答案來,所以效率很低。
Trail of Bits計劃利用零知識證明重塑漏洞披露流程:安全研究機構Trail of Bits宣布,正在與約翰霍普金斯大學的Matthew Green合作,使用零知識證明(zero-knowledge proofs)技術為科技公司和安全漏洞研究人員建立一種可信的基礎設施,在新的合作方式之下,雙方在針對漏洞披露(Vulnerability Disclosure)的流程中可進行合理的溝通,而不必擔心受到破壞或歧視。
在接下來的四年里,Trail of Bits 將會進一步推進零知識證明的理論極限,并為安全漏洞研究人員提供相應的軟件,用以產生漏洞可利用性的零知識證明。[2020/5/22]
zk-SNARK的解決方案則不需要雙方反復確認“是或不是”,而是提前先搞一個「可信初始化」,從而生成公共參考字符串(CRS),然后所有的示證者都可以直接訪問它。
打一個通俗的比方。交互式證明相當于老師要批改每一個考生的每一道考題,效率很低,但正確答案只掌握在老師這邊,基本不存在有人偷答案的情況。
但zk-SNARK直接上傳了正確答案,然后讓考生自己對答案(把自己解的某道題發送給后臺系統,就會直接得到正確與否的最終結果),非常高效,代價是答案有可能被泄露,雖然這個答案系統是經過加密的。
因此針對zk-SNARK容易被泄露的問題,有很多圍繞著提高「答案系統」安全性的解決方案,不同采用zk-SNARK的項目方的方案各有不同。如zCloak錢包是直接把算法以純文本的形式發給用戶,用戶下載到本地去做計算(所以即使斷網也依舊能完成工作)。
zk-STARK:概率證明+緩沖時間
zk-STARK是成立于2017年12月的StarkWare團隊開發的,它是針對zk-SNARK的替代解決方案。研發歷時一年多,經過無數次迭代才徹底搞定,已經到2019年了。
zk-SNARK是提前生成公共參考字符串,用非交互式證明的方式提高了證明效率,但也留下了隱患。zk-STARK雖然是交互式證明,但它是一種巧妙的交互式證明——通過哈希函數碰撞(一種概率證明的方式)來保證安全性,因此也實現了高效證明。
這個思路直接借鑒自2015年推出的交互式預言機證明(IOP)技術,簡單來說是先把問題用密碼學的方式打碎,然后驗證者隨機向示證者提出幾個的問題,如果幾輪下來,示證者都給出準確的回答,那么驗證就通過了。
所以zk-STARK同樣也只需要極少的計算資源就可以完成證明,但是它更安全,不存在答案泄露的風險。并且為了進一步確保安全性,還設置了爭議時間延遲(DTD)來作為緩沖。
zk-SNARK和zk-STARK的區別
1.透明度
zk-SNARK的公共參考字符串通常由一個小團體來保管,因此有泄露的可能性,從而被惡意利用,如創建虛假證明。
zk-STARK則直接利用生成隨機性的參數來驗證,不需要任何第三方的「答案系統」,因此透明度大幅提高。
2.抗量子計算機攻擊
zk-SNARK未來會輕易被量子計算機暴力破解(通過分解計算從公鑰中提取私鑰)。當然,量子計算何時到來還是個問題。
zk-STARK采用的是哈希函數碰撞的方法來證明,理論上量子計算機的暴力破解是無效的。
3.可擴展性
zk-SNARK的證明在鏈上更具可擴展性(生成的證明的字節數更小),zk-STARK在純鏈上似乎沒有優勢。
StarkWare官網宣稱是最快的,可能是因為zk-STARK允許鏈下進行大規模計算和存儲,然后在鏈上完成驗證,因此可擴展性顯著提升(甚至可以提高10倍),而成本顯著降低。
總結
zk-SNARK技術被采用得最多,尤其是在以太坊擴容場景中。zk-SNARK主要是圍繞「隱私保護」去做身份、支付、DeFi、資產證明等各種應用。
zk-STARK雖然也在發展之中,但技術尚不成熟,至少在通用性上受限,所以我們看到大多是圍繞著「可擴展性」去做各種應用。
不過據StarkWare團隊在2022年的說法,已經解決了可擴展性,該把目標瞄準「隱私保護」了,而方式是通過StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分層的方式解決,這似乎與zk-STARK證明系統本身沒有直接關系。
至少就目前而言,大多數以太坊Layer2項目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都采用的是zk-SNARK技術路線,除了通用性上受限,還有一個原因是普遍反饋說zk-STARK的開發難度過大……
當然長遠來看,zk-STARK可承載的運算量更大,可能更有前景。
總的來說,zk-SNARK和zk-STARK的關系,?有些像Optimistic rollups和ZK rollups的關系,前者短期利好,后者長期利好。
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