zk-SNARKs: من النظرية إلى التطبيق

zk-SNARKs(ZKP) كتقنية رائجة في صناعة البلوكشين، تطورت بسرعة في السنوات الأخيرة. ستستعرض هذه المقالة تاريخ تطوير ZKP، وتناقش مبادئها الأساسية وتطبيقاتها الرئيسية، لتوفير رؤية واضحة للقراء حول هذا المجال المعقد.

واحد، تطور zk-SNARKs

نظام إثبات المعرفة الصفرية الحديث نشأ من ورقة بحثية مشتركة بين غولدواتسر وميكالي وراكوف عام 1985. تناقش هذه الورقة كيفية إثبات صحة بيان ما من خلال تفاعلات متعددة في نظام تفاعلي، دون تسريب معلومات إضافية. على الرغم من أن هذا النظام التفاعلي صحيح من الناحية الاحتمالية، إلا أنه ليس مثالياً.

أدى ظهور نظام غير تفاعلي (NP) إلى جعل zk-SNARKs أكثر كمالًا. ومع ذلك، كانت أنظمة zk-SNARKs المبكرة تعاني من نقص في الكفاءة وقابلية الاستخدام، وكانت تقتصر بشكل رئيسي على المستوى النظري. حتى العقد الأخير، مع صعود التشفير في مجال العملات الرقمية، دخلت zk-SNARKs فعليًا مرحلة التطبيق.

أرست ورقة غروث عام 2010 الأساس النظري لـ zk-SNARKs، وهي نقطة تحول هامة في تطور ZKP. في عام 2015، كانت عملة الخصوصية Z-cash أول من طبق إثبات المعرفة الصفرية لحماية خصوصية المعاملات، مما فتح المجال لاستخدام ZKP على نطاق واسع.

بعد ذلك، أدت سلسلة من الإنجازات الأكاديمية إلى دفع تطوير zk-SNARKs:

• في عام 2013، قامت بروتوكول بينوكيو بضغط وقت الإثبات والتحقق
• في عام 2016، قام Groth16 بتقليل حجم الإثبات وزيادة كفاءة التحقق
• في عام 2017 تم تقديم Bulletproofs كإثباتات غير تفاعلية قصيرة وفعالة zk-SNARKs
• في عام 2018، تم تحقيق zk-STARKs بروتوكول ZKP بدون إعداد موثوق به.

تقنيات أخرى مثل PLONK و Halo2 قد أدت أيضًا إلى تحسينات هامة في zk-SNARKs.

٢. التطبيقات الرئيسية لـ zk-SNARKs

أكثر تطبيقين شيوعًا لـ ZKP حاليًا هما حماية الخصوصية والتوسع.

حماية الخصوصية

دفعت مشاريع التجارة الخاصة المبكرة مثل Z-cash و Monero استخدام zk-SNARKs في مجال حماية الخصوصية. على سبيل المثال، يستخدم Z-cash zk-SNARKs لتحقيق خصوصية المعاملات:

1. مرحلة إعداد النظام لإنشاء مفتاح الإثبات ومفتاح التحقق
2. إنشاء عملات جديدة وتسجيل العنوان العام والتعهد بالعملة
3. إنشاء zk-SNARKs
4. يتحقق المدققون من صحة المعاملات
5. يتلقى المستلم العملة، وإذا كان بحاجة لاستخدامها، يكرر الخطوات المذكورة أعلاه.

ومع ذلك، فإن معدل استخدام معاملات الخصوصية في مشاريع مثل Z-cash منخفض، مما يظهر أن الطلب على الخصوصية أقل مما كان متوقعًا. بالمقابل، فإن تصميم تجمع العملات الكبير الوحيد الذي تستخدمه Tornado Cash أكثر عمومية.

توسيع

تطبيق ZKP في قضايا التوسع هو بشكل رئيسي zk-rollup. هناك نوعان من الأدوار في zk-rollup:

• Sequencer: مسؤول عن تجميع المعاملات
• Aggregator: دمج عدد كبير من المعاملات وإنتاج إثبات ZKP

تتمثل مزايا zk-rollup في انخفاض التكاليف، وسرعة المعاملات، وحماية الخصوصية. لكن هناك أيضًا عيوب مثل حجم الحساب الكبير، والحاجة إلى إعداد موثوق.

تتضمن المشاريع الرئيسية الحالية لل zk-rollup StarkNet و zkSync و Aztec و Polygon Hermez وغيرها، حيث يتم الاختيار بشكل رئيسي بين SNARK و STARK في الخط التقني، وكذلك ما إذا كانت تدعم EVM.

توافق EVM هو مسألة مهمة. بعض المشاريع تختار التوافق الكامل مع أوامر Solidity، بينما يصمم البعض الآخر آلة افتراضية جديدة متوافقة مع Solidity. سيساهم تحسين توافق EVM في التأثير على بيئة تطوير ZK وبيئة المنافسة.

ثلاثة، المبادئ الأساسية للzk-SNARKs

zk-SNARKs هي واحدة من أكثر حلول ZKP استخدامًا في الوقت الحالي. لديها الميزات التالية:

• Zero Knowledge: عملية الإثبات لا تكشف معلومات إضافية
• مختصر: حجم الإثبات صغير
• غير تفاعلي:非交互式
• Arguments: تتمتع بموثوقية حسابية
• من المعرفة: يجب أن يعرف المثبت المعلومات الصحيحة

الخطوات الأساسية لتنفيذ zk-SNARK هي:

1. تحويل المشكلة إلى دائرة
2. تحويل الدائرة إلى شكل R1CS
3. تحويل R1CS إلى شكل QAP
4. توليد معلمات عشوائية للإعداد الموثوق
5. إنشاء والتحقق من إثباتات zk-SNARKs

تعد zk-SNARKs كأحد التقنيات الرائدة، تتطور بسرعة على الصعيدين النظري والتطبيقي. مع وجود المزيد من المشاريع التي تم تنفيذها، من المتوقع أن تلعب ZKP دورًا أكبر في مجال blockchain.