ARK:從技術原理出發 批判“加密顯學”零知識證明

原文：《CriticismonZK》bymsfew

*注：首先，這是一個用一個小時寫的草稿。主要是為了快速收集信息，所以可能存在非常多的潛在錯誤和不完整的信息。

對ZK的主要批評包括兩個：

一是證明時間長(因此有各種benchmark、各種新的ZK協議和各種硬件優化）；

一是系統和應用程序安全性仍然需要測試。

?證明生成性能

零知識證明是區塊鏈領域非常流行的技術。由于鏈上計算資源稀缺且昂貴，零知識證明允許這些計算在鏈下進行，雖然鏈下證明生成的總時間消耗非常高，但它仍然壓縮了最終證明和相關的計算驗證，從而允許計算“在鏈上”。

ZK證明生成時間過長的問題往往被研究者和開發者所忽視，因為這本質上是ZK需要做出的權衡。

SushiSwap CEO：從技術上講我看好加密貨幣:金色財經報道，SushiSwap CEO Jared Grey在社交媒體上表示，監管的唯一好處是創造一個公平的競爭環境。坦率地說，這通常是失敗的。盲目的貪婪通常會獲勝，而在位者則會通過陰險的利益沖突為自己開路。從技術上講，我看好加密貨幣，因為它阻礙了人類最惡劣的濫用特性。[2023/7/24 15:54:17]

雖然他們沒有直接批評ZK的這個缺點，但是他們有很多從對面解決這個缺點的方法和討論。

也就是說，他們通過提出各種解決方案并進行大量基準測試來隱含地談論ZK的極長證明時間。

a)Benchmark

在衡量ZK應用之前，我們首先要測試ZK協議底層commitment的性能。

因為比如，FRI導致STARK，KZG導致常規SNARK，IPA導致Bulletproof。底層承諾的性能測試對于ZK應用的性能并不直觀，但對于理解ZK證明時間長的問題很有幫助。

徐坤：Filecoin項目需要從技術角度和投資角度去分析:OKEx首席戰略官徐坤今日發微博表示，對于Filecoin項目本身，需要從技術角度和投資角度去分析它，一切的投資是可以用數據量化的，資產有背后的價值作為支撐，可持續就可以去考慮；

另外一方面，放長周期去看一個事物的發展，它是否能夠經歷時間的考驗。投資是反人性的，事實證明，很多投資者在每一個階段可以享受一個事物不同的紅利，所以分析判斷一個投資的周期長度以及市場變化，再認真思考去做決定。[2020/7/14]

從上面的鏈接我們可以看出，這些底層承諾協議不僅計算復雜(可能導致證明時間長)，而且還存在內存消耗非常大的問題。

當然，內存消耗其實更多的是跟硬件配置要求有關，這跟我們今天要討論的話題是不一樣的。

對于具體的SNARK性能測試，a16zcrypto將它們分為前端和后端：

聲音 | 王春蕊：區塊鏈已從技術構想走入現實 在智慧城市建設中將大有作為:新京報智慧城市研究院研究員王春蕊今日發表題為“智慧城市和區塊鏈能擦出怎樣的火花？”評論文章。文章中提到，區塊鏈在智慧城市建設中將大有作為。區塊鏈實現信息共享，保障數據安全；“區塊鏈+政務”，為數字社會增信；“區塊鏈+民生”，能夠提供更智能的公共服務。區塊鏈作為核心技術，已經從技術構想走入現實，在智慧城市領域特別是信息共享方面彰顯出了巨大應用潛力。（新京報）[2019/11/5]

前端通常是ZK應用開發者接觸到的Cairo語言/zkVM高級語言等；

而后端是更接近SNARK證明生成時間的承諾等底層密碼學操作。

其中，作者提到SNARK證明生成具有大約100倍的計算開銷，并且每個ZK協議都有額外的開銷，例如：

“InGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsInGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsthataren'tpairingfriendly.,thisresultsinatleastanadditionalfactor-6slowdownrelativetothe100-|C|estimateabove.”

騰訊研究院金融科技研究中心杜曉宇：應從技術、應用、市場等維度來展開區塊鏈與法律的研究 :在第一期“法律人的互聯網思維”系列研修會上，騰訊研究院金融科技研究中心副主任杜曉宇進行了“區塊鏈技術對法律的影響和挑戰”的主題發言。他認為，區塊鏈鏈對法律的影響與挑戰不宜從單一角度籠統去概括，可以考慮從“區塊鏈技術與法律”、“區塊鏈應用與法律”、“區塊鏈市場與法律”、“區塊鏈騙子與法律”四個維度來展開分析。[2018/4/19]

總體而言，可以說?zk-SNARK的額外性能開銷在200-1000倍的范圍內。

此外，文章還提到了zk-SNARK的其他限制，例如可信設置和內存使用。

ModulusLabs的文章測量了一些ZK協議的實際性能。有些基準是針對參數數量的，這對我們來說不是很直觀。然而，在應用中，文章提到在Worldcoin用例中，即使使用“最快”的Plonky2，仍然需要幾分鐘的證明生成時間和數十GB的內存消耗，無法在個人電腦上運行。

b)遞歸和批處理

為了減少證明生成時間，我們可以并行證明多個證明。

通常，有兩種方法可以做到這一點：一種是批處理，另一種是遞歸。

簡單來說，批處理是同時證明一批證明，最后將它們聚合在一起，而遞歸是在一個證明中驗證其他證明。一般而言，遞歸方法具有更小證明大小?的額外優勢。

一些更常見的聚合方法包括Halo2、Plonky2。他們每個人都以不同的方式執行批處理和遞歸，從而減少了證明時間。

除了ZK的協議層，ZK的應用層也可以有針對性的優化。例如，可以同時使用多個ZK協議(STARK+SNARK），或者針對宏觀采取遞歸策略進行特定于應用程序的調優。

一般來說，這實際上減少了協議和證明分配方面的證明生成時間。在探索新的ZK協議時，減少證明時間是最重要的考慮因素。

c)硬件加速

此外，從硬件角度進一步減少ZK應用在物理和節點層面的證明時間也做了很多努力。

首先，與前面提到的新協議一樣，ZK協議被設計為盡可能對硬件友好，例如HyperPlonk。

Paradigm提到，ZK的證明生成速度慢主要是由于涉及大量的MSM和FFT，它們對硬件不友好，導致由于隨機內存訪問等問題導致最終證明生成速度慢。對于這些底層加密計算，ZK協議需要在它們的組成和規模上進行一些權衡，以使其對硬件更加友好。

幾家ZK硬件加速廠商表示，GPU實際上是目前最經濟和可配置的硬件選擇，我們最終將有FPGA過渡到ASIC階段。根據zk硬件公司的說法，他們的第一版ASIC可以直接減少至少30%的ZK證明生成時間。

此外，由于不同的服務器配置，將不同的云服務器作為節點運行可能涉及不同的硬件特定優化。

Security

ZK現在的另一個批評是電路代碼仍然需要正確(沒有bug)。

如果ZK協議從健全性、完整性、零知識的角度受到攻擊，我們將不再擁有有效的ZK系統。我們可以在這個鏈接中看到各種角度的攻擊示例。

雖然ZK應用可以被稱為trustless，但我們仍然需要確保項目的ZK協議和應用的代碼和架構是正確的。區塊鏈領域中存在多種ZK錯誤。例如，由于zkEVM的ZK電路代碼庫龐大的問題，Vitalik談到了?ZK應用程序的多證明者的需求。

因此，ZK系統可能需要與形式驗證等安全工具或Ecne等其他安全相關工具搭配使用。應用程序級別，它需要更多的審計，特別是對于像zkEVM這樣的大項目。

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