零知識證明:從理論到實踐的發展歷程

零知識證明(ZKP)作爲區塊鏈行業的熱點技術,近年來發展迅速。本文將回顧ZKP的發展歷史,探討其基本原理及主要應用,爲讀者梳理這一復雜領域的脈絡。

一、零知識證明的發展歷程

現代零知識證明體系源於1985年Goldwasser、Micali和Rackoff合作的論文。該論文探討了在交互系統中,通過多輪交互來證明一個聲明的正確性,同時不泄露額外信息。這種交互式系統雖然在概率上正確,但並不完美。

非交互式系統(NP)的出現使零知識證明更加完備。然而,早期的零知識證明系統在效率和可用性方面仍有不足,主要停留在理論層面。直到最近十年,隨着密碼學在加密貨幣領域的興起,零知識證明才真正進入實用階段。

2010年Groth的論文爲zk-SNARK奠定了理論基礎,是ZKP發展的重要裏程碑。2015年,隱私幣Z-cash首次將零知識證明應用於交易隱私保護,開啓了ZKP的廣泛應用。

此後,一系列學術成果推動了ZKP的發展:

• 2013年Pinocchio協議壓縮了證明和驗證時間
• 2016年Groth16精簡了證明大小並提升驗證效率
• 2017年Bulletproofs提出了短小精悍的非交互式零知識證明
• 2018年zk-STARKs實現了無需可信設置的ZKP協議

其他如PLONK、Halo2等技術也爲zk-SNARK做出了重要改進。

二、零知識證明的主要應用

ZKP目前最廣泛的兩個應用是隱私保護和擴容。

隱私保護

早期隱私交易項目如Z-cash和Monero推動了ZKP在隱私保護領域的應用。以Z-cash爲例,其使用zk-SNARKs實現交易隱私:

1. 系統設置階段生成證明密鑰和驗證密鑰
2. 生成新幣並記錄公共地址和幣的承諾
3. 生成zk-SNARK證明
4. 驗證者驗證交易的正確性
5. 接收方接收幣,如需使用則重復上述步驟

然而,Z-cash等項目的隱私交易使用率較低,顯示出隱私需求不如預期。相比之下,Tornado Cash採用的單一大混幣池設計更爲通用。

擴容

ZKP在擴容方面的應用主要是zk-rollup。zk-rollup有兩類角色:

• Sequencer:負責打包交易
• Aggregator:將大量交易合並並生成ZKP證明

zk-rollup的優勢在於費用低、交易速度快、可保護隱私。但也存在計算量大、需要可信設置等缺點。

目前主流的zk-rollup項目包括StarkNet、zkSync、Aztec、Polygon Hermez等,在技術路線上主要在SNARK和STARK間選擇,以及是否支持EVM。

EVM兼容性是一個重要問題。有的項目選擇完全兼容Solidity操作碼,有的則設計新的虛擬機兼容Solidity。EVM兼容性的提升將影響ZK的開發生態和競爭格局。

三、zk-SNARK的基本原理

zk-SNARK是目前應用最廣泛的ZKP方案之一。它具備以下特點:

• Zero Knowledge:證明過程不泄露額外信息
• Succinct:證明體積小
• Non-interactive:非交互式
• Arguments:具有計算可靠性
• of Knowledge:證明者需知道有效信息

zk-SNARK的基本實現步驟爲:

1. 將問題轉換爲電路
2. 將電路轉換爲R1CS形式
3. 將R1CS轉換爲QAP形式
4. 生成可信設置的隨機參數
5. 生成和驗證zk-SNARK證明

零知識證明作爲一項前沿技術,在理論和應用層面都在快速發展。隨着更多項目的落地,ZKP有望在區塊鏈領域發揮更大作用。