原文來源: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。
HashKey Capital于幣安重新購買106.7萬枚PENDLE:7月6日消息,據Spot On Chain發推稱,HashKey Capital在四小時前PENDLE跌至0.855時,于幣安重新購買了106.7萬枚PENDLE。
此前,HashKey Capital從PENDLE交易中賺取了276萬美元。[2023/7/6 22:22:05]
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。
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。
SPACE ID:“.arb”域名預注冊Phase 2已啟動上線:2月20日消息,去中心化域名協議SPACE ID宣布“.arb”域名預注冊Phase 2已啟動上線,預注冊截止時間為UTC時間2月25日14點。此前拍賣獲勝者現在可以注冊贏得的域名,其他人則可以注冊剩下的域名。SPACE ID還表示,SPACE ID 2.0現在已對所有人開放。[2023/2/21 12:18:20]
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。
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。
NFT指數基金NFTX已上線Hashmasks指數基金MASK:2月4日,NFT指數基金NFTX創始人宣布上線NFT盲盒項目Hashmasks的指數基金MASK。據了解,MASK將是一款FloorFund,即涵蓋了所有Hashmasks,而不以其所包含的元素加以區分的基金。[2021/2/4 18:55:10]
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:
System?setup階段生成證明秘鑰和驗證秘鑰,借助KeyGen?function
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。
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。
HashCash即將推出“Corona基金指數加密貨幣”:3月23日,HashCash宣布即將推出“Corona基金指數加密貨幣”(CFIX),它承諾交易者有機會“在由Corona危機引發的熊市中獲利”。據悉,CFIX與標準普爾500指數呈負相關,將與USDT配對,計劃于4月2日發布。(Cointelegraph)[2020/3/23]
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Groth?16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。
公告 | Bittrex將上線Hedera Hashgraph(HBAR):Bittrex將上線Hedera Hashgraph(HBAR)。存款服務開放時間為北京時間9月16日8點。用戶可9月17日17:00進行HBAR / BTC,HBAR / ETH,HBAR / USDT和HBAR / USD 交易。[2019/9/13]
Source:Polygon
ZK?rollup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
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ZK?rollup,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。
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:
1.?將問題轉換為電路
2.?將電路拍平成R1CS的形式.
3.?R1CS轉換成QAP形式
4.?建立trusted?setup,生成隨機參數,包括PK(provingkey),VK(verifyingkey)
5.?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。
Reference:
https://ethresear.ch/t/on-chain-scaling-to-potentially-500-tx-sec-through-mass-tx-validation/3477
https://blog.polygon.technology/zkverse-why-zero-knowledge-rollups-need-a-new-consensus-mechanism/
https://blog.decentriq.com/zk-snarks-primer-part-one/
https://vitalik.ca/general/2021/01/26/snarks.html
https://z.cash/technology/zksnarks/
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