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STAR:零知識證明的技術路徑之爭:zk-SNARK和zk-STARK誰更優?

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Time:1900/1/1 0:00:00

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:

徐明星:以太坊2.0和零知識證明技術將使以太坊成為真正的區塊鏈操作系統:金色財經報道,OKX創始人徐明星發推特表示,2023年將非常有趣,以太坊2.0和零知識證明技術將使以太坊成為真正的區塊鏈操作系統。[2022/12/28 22:11:35]

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:

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。

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。

門羅幣計劃籌集90.3 XMR以進行零知識證明系統Bulletproofs和審計:1月15日,門羅幣官方宣布,現已為零知識證明系統Bulletproofs+審計提案籌集資金。官方表示,預計在約1個月內完成項目審計,但審計工作需要90.3 XMR(相當于1.5萬美元)的資金。[2021/1/15 16:13:36]

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。

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。

StarkWare已開源零知識證明代碼ethSTARK:零知識證明研發機構StarkWare已在GitHub開源ethSTARK。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。ethSTARK代碼的證明速度將比現有的任何ZKP代碼快20倍。

注:2018年7月份,StarkWare獲得了以太坊基金會提供的400萬美元資助,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)。(Github)[2020/7/27]

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。

動態 | 波場社區TRONZ團隊已完成零知識證明匿名交易公測:波場社區TRONZ團隊已完成零知識證明匿名交易公測,測試網已經順利部署。匿名交易即將在波場TRON主網上線,現已開啟主網MPC流程,社區用戶均可參與。Github參考地址可見原文鏈接。[2019/12/31]

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。

動態 | 德勤在其企業區塊鏈產品中增加了零知識證明隱私技術:據Coindesk消息,專業服務巨頭德勤(Deloitte)在其企業區塊鏈產品Eduscrypt平臺中增加了零知識證明隱私技術。德勤在近日官方活動時宣布與以色列的零知識證明專家QEDIT合作,幫助用戶通過區塊鏈技術方式分享自己獲得的證書和資格數據。[2019/10/29]

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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