Perkembangan dan Aplikasi zk-SNARKs

I. Evolusi Sejarah zk-SNARKs

Sistem bukti nol pengetahuan pertama kali berasal dari makalah perintis Goldwasser, Micali, dan Rackoff pada tahun 1985. Makalah tersebut membahas jumlah pengetahuan minimum yang perlu dipertukarkan untuk membuktikan kebenaran suatu pernyataan melalui interaksi berulang dalam sistem interaktif. Jika pertukaran nol pengetahuan dapat dicapai, maka disebut bukti nol pengetahuan. Sistem bukti nol pengetahuan awal memiliki masalah efisiensi dan praktis, sebagian besar masih berada di tingkat teoritis.

Dalam dekade terakhir, dengan penerapan kriptografi yang luas di bidang cryptocurrency, zk-SNARKs mengalami perkembangan pesat. Di antara ini, mengembangkan protokol zk-SNARKs yang umum, non-interaktif, dan dengan skala bukti terbatas menjadi salah satu arah eksplorasi kunci. Tantangan inti dari zk-SNARKs adalah menyeimbangkan kecepatan bukti, kecepatan verifikasi, dan skala bukti.

Makalah yang diterbitkan oleh Groth pada tahun 2010 menetapkan dasar teori zk-SNARK, menjadi terobosan penting di bidang zero-knowledge proof. Pada tahun 2015, Zcash menerapkan zero-knowledge proof untuk melindungi privasi transaksi, membuka jalan bagi penerapan luas dari zero-knowledge proof.

Sejak itu, serangkaian hasil akademis mendorong perkembangan zk-SNARKs:

• Protokol Pinocchio tahun 2013 mempercepat waktu bukti dan verifikasi
• Algoritma Groth16 tahun 2016 menyederhanakan ukuran bukti dan meningkatkan efisiensi verifikasi
• Bulletproofs yang diusulkan pada tahun 2017 mewujudkan bukti pendek tanpa pengaturan tepercaya.
• Protokol zk-STARKs 2018 tidak memerlukan pengaturan yang dapat dipercaya, menjadi arah perkembangan penting lainnya.

Kemajuan penting lainnya termasuk PLONK, Halo2, yang merupakan perbaikan lebih lanjut terhadap zk-SNARK.

Dua, Aplikasi Utama zk-SNARKs

zk-SNARKs saat ini merupakan dua bidang aplikasi yang paling luas digunakan, yaitu perlindungan privasi dan skalabilitas.

Dalam perlindungan privasi, proyek perdagangan privasi seperti Zcash dan Monero muncul lebih awal. Namun, karena permintaan nyata untuk perdagangan privasi tidak sesuai harapan, proyek-proyek ini secara bertahap mundur ke posisi kedua.

Dalam hal skalabilitas, dengan Ethereum beralih ke jalur skalabilitas yang berfokus pada rollup, solusi skalabilitas berbasis zk-SNARKs kembali menjadi fokus industri.

transaksi privasi

Proyek perwakilan transaksi privasi termasuk:

• Menggunakan zk-SNARKs Zcash dan Tornado
• Menggunakan Bulletproof Monero

Sebagai contoh Zcash, proses transaksi zk-SNARKs-nya mencakup: pengaturan sistem, generasi kunci, pencetakan koin, transfer, verifikasi, dan penerimaan.

Meskipun Zcash telah mewujudkan privasi transaksi, masih ada beberapa keterbatasan:

• Berdasarkan model UTXO, sebagian informasi transaksi hanya disembunyikan dan bukan sepenuhnya tersembunyi
• Sulit untuk diintegrasikan dengan aplikasi lain
• Tingkat penggunaan transaksi privasi kurang dari 10%

Sebaliknya, Tornado menggunakan metode kolam pencampuran tunggal yang besar, yang memiliki kegunaan yang lebih baik. Tornado Cash dibangun di atas Groth16 dan dapat menyediakan fitur-fitur berikut:

• Hanya koin yang disimpan yang dapat ditarik
• Setiap koin hanya dapat ditarik sekali.
• Proses pembuktian terikat dengan pemberitahuan pembatalan koin
• Memiliki keamanan 126 bit

perluasan

zk-SNARKs dalam aplikasi skalabilitas terutama adalah zk-rollup. zk-rollup mencakup dua jenis peran kunci:

• Sequencer bertanggung jawab untuk mengemas transaksi
• Aggregator bertanggung jawab untuk menggabungkan transaksi dan menghasilkan zk-SNARKs

Keuntungan zk-rollup termasuk: biaya rendah, finalitas cepat, perlindungan privasi, dll. Kerugian termasuk: jumlah perhitungan untuk menghasilkan bukti yang besar, SNARK memerlukan pengaturan yang tepercaya, dll.

Saat ini, proyek zk-rollup utama di pasar adalah:

• StarkWare's StarkNet
• zkSync dari Matter Labs
• Aztec Connect dari Aztec
• Hermez dan Miden dari Polygon
• Loopring
• Gulir

Proyek-proyek ini terutama berbeda dalam jalur teknologi mereka berdasarkan apakah mereka menggunakan SNARK atau STARK, serta tingkat dukungan terhadap EVM.

Kesesuaian EVM adalah salah satu tantangan yang dihadapi oleh zk-rollup. Saat ini, ada dua pendekatan utama di industri:

1. Sepenuhnya kompatibel dengan opcode Solidity
2. Merancang mesin virtual baru, sambil mempertimbangkan kesesuaian ZK dan kompatibilitas dengan Solidity

Kemajuan penting telah dicapai dalam kompatibilitas EVM baru-baru ini, yang diharapkan dapat mewujudkan migrasi tanpa hambatan bagi para pengembang dari rantai utama Ethereum ke zk-rollup, yang akan berdampak besar pada ekosistem ZK.

Tiga, Prinsip Dasar ZK-SNARKs

zk-SNARKs mewakili "Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge", dengan karakteristik sebagai berikut:

• Zero Knowledge: proses pembuktian tidak mengungkapkan informasi tambahan
• Singkat: Verifikasi skala kecil
• Non-interactive: non-interaktif
• Argumen: Menghitung Keandalan
• of Knowledge: pembuktian harus mengetahui informasi yang valid

Proses pembuktian zk-SNARK Groth16 terutama mencakup:

1. Mengubah masalah menjadi rangkaian
2. Mengubah sirkuit menjadi bentuk R1CS
3. Mengubah R1CS menjadi bentuk QAP
4. Menghasilkan parameter pengaturan yang dapat dipercaya
5. Menghasilkan dan Memverifikasi Bukti zk-SNARK

Teknologi zk-SNARKs masih berkembang pesat, dan di masa depan diharapkan dapat memainkan peran penting dalam perlindungan privasi, peningkatan kapasitas, dan lebih banyak bidang lainnya.