零知识证明:从理论到实践的发展历程

零知识证明(ZKP)作为区块链行业的热点技术,近年来发展迅速。本文将回顾ZKP的发展历史,探讨其基本原理及主要应用,为读者梳理这一复杂领域的脉络。

一、零知识证明的发展历程

现代零知识证明体系源于1985年Goldwasser、Micali和Rackoff合作的论文。该论文探讨了在交互系统中,通过多轮交互来证明一个声明的正确性,同时不泄露额外信息。这种交互式系统虽然在概率上正确,但并不完美。

非交互式系统(NP)的出现使零知识证明更加完备。然而,早期的零知识证明系统在效率和可用性方面仍有不足,主要停留在理论层面。直到最近十年,随着密码学在加密货币领域的兴起,零知识证明才真正进入实用阶段。

2010年Groth的论文为zk-SNARK奠定了理论基础,是ZKP发展的重要里程碑。2015年,隐私币Z-cash首次将零知识证明应用于交易隐私保护,开启了ZKP的广泛应用。

此后,一系列学术成果推动了ZKP的发展:

• 2013年Pinocchio协议压缩了证明和验证时间
• 2016年Groth16精简了证明大小并提升验证效率
• 2017年Bulletproofs提出了短小精悍的非交互式零知识证明
• 2018年zk-STARKs实现了无需可信设置的ZKP协议

其他如PLONK、Halo2等技术也为zk-SNARK做出了重要改进。

二、零知识证明的主要应用

ZKP目前最广泛的两个应用是隐私保护和扩容。

隐私保护

早期隐私交易项目如Z-cash和Monero推动了ZKP在隐私保护领域的应用。以Z-cash为例,其使用zk-SNARKs实现交易隐私:

1. 系统设置阶段生成证明密钥和验证密钥
2. 生成新币并记录公共地址和币的承诺
3. 生成zk-SNARK证明
4. 验证者验证交易的正确性
5. 接收方接收币,如需使用则重复上述步骤

然而,Z-cash等项目的隐私交易使用率较低,显示出隐私需求不如预期。相比之下,Tornado Cash采用的单一大混币池设计更为通用。

扩容

ZKP在扩容方面的应用主要是zk-rollup。zk-rollup有两类角色:

• Sequencer:负责打包交易
• Aggregator:将大量交易合并并生成ZKP证明

zk-rollup的优势在于费用低、交易速度快、可保护隐私。但也存在计算量大、需要可信设置等缺点。

目前主流的zk-rollup项目包括StarkNet、zkSync、Aztec、Polygon Hermez等,在技术路线上主要在SNARK和STARK间选择,以及是否支持EVM。

EVM兼容性是一个重要问题。有的项目选择完全兼容Solidity操作码,有的则设计新的虚拟机兼容Solidity。EVM兼容性的提升将影响ZK的开发生态和竞争格局。

三、zk-SNARK的基本原理

zk-SNARK是目前应用最广泛的ZKP方案之一。它具备以下特点:

• Zero Knowledge:证明过程不泄露额外信息
• Succinct:证明体积小
• Non-interactive:非交互式
• Arguments:具有计算可靠性
• of Knowledge:证明者需知道有效信息

zk-SNARK的基本实现步骤为:

1. 将问题转换为电路
2. 将电路转换为R1CS形式
3. 将R1CS转换为QAP形式
4. 生成可信设置的随机参数
5. 生成和验证zk-SNARK证明

零知识证明作为一项前沿技术,在理论和应用层面都在快速发展。随着更多项目的落地,ZKP有望在区块链领域发挥更大作用。