zk-SNARKs desenvolvimento e aplicação

I. Evolução Histórica dos zk-SNARKs

O sistema de prova de conhecimento zero teve origem no artigo inovador de Goldwasser, Micali e Rackoff de 1985. Este artigo explora a quantidade mínima de conhecimento que deve ser trocada para provar a veracidade de uma afirmação em sistemas interativos através de múltiplas interações. Se a troca de conhecimento zero puder ser realizada, isso é chamado de prova de conhecimento zero. Os primeiros sistemas de prova de conhecimento zero apresentavam problemas de eficiência e praticidade, permanecendo principalmente em um nível teórico.

Nos últimos dez anos, com a ampla aplicação da criptografia no campo das criptomoedas, os zk-SNARKs experimentaram um desenvolvimento próspero. Entre eles, o desenvolvimento de protocolos de zk-SNARKs gerais, não interativos e com escala de prova limitada tornou-se uma das direções de exploração chave. O desafio central dos zk-SNARKs reside em equilibrar a velocidade de prova, a velocidade de verificação e a escala de prova.

O artigo publicado por Groth em 2010 estabeleceu a base teórica dos zk-SNARKs, tornando-se um importante marco no campo das provas de conhecimento zero. Em 2015, a Zcash aplicou as provas de conhecimento zero para proteger a privacidade das transações, iniciando a ampla aplicação das provas de conhecimento zero.

Desde então, uma série de resultados acadêmicos impulsionou o desenvolvimento de zk-SNARKs:

• O protocolo Pinocchio de 2013 comprimiu o tempo de prova e verificação
• O algoritmo Groth16 de 2016 simplificou a escala da prova e melhorou a eficiência da verificação
• Bulletproofs, proposto em 2017, implementou provas curtas sem necessidade de configuração confiável.
• Em 2018, o protocolo zk-STARKs não requer configuração de confiança, tornando-se outra direção de desenvolvimento importante.

Outros avanços importantes incluem melhorias adicionais em zk-SNARKs, como PLONK e Halo2.

Dois, principais aplicações de zk-SNARKs

Os dois campos de aplicação mais amplamente utilizados de zk-SNARKs atualmente são a proteção da privacidade e a escalabilidade.

Na proteção da privacidade, surgiram inicialmente projetos de transações privadas como Zcash e Monero. No entanto, devido à demanda real por transações privadas ser inferior à esperada, esses projetos gradualmente passaram para o segundo plano.

Na questão da escalabilidade, com a transição do Ethereum para uma abordagem de escalabilidade centrada em rollups, as soluções de escalabilidade baseadas em zk-SNARKs voltaram a ser o foco da indústria.

transações privadas

Os projetos representativos de transações privadas incluem:

• Uso do Zcash e Tornado com zk-SNARKs
• Usar Monero com Bulletproof

Tomando o Zcash como exemplo, o processo de transação zk-SNARKs inclui: configuração do sistema, geração de chaves, cunhagem, transferência, verificação e recepção.

Embora o Zcash implemente a privacidade das transações, ainda existem algumas limitações:

• Baseado no modelo UTXO, algumas informações de transação são apenas ocultadas e não completamente escondidas
• Difícil de integrar com outras aplicações
• A taxa de uso de transações privadas é inferior a 10%

Em comparação, o Tornado utiliza um único grande pool de moedas misturadas, oferecendo melhor versatilidade. O Tornado Cash é baseado em Groth16 e pode fornecer as seguintes características:

• Apenas as moedas depositadas podem ser retiradas
• Cada moeda só pode ser retirada uma vez
• O processo de prova está vinculado ao aviso de anulação da moeda
• com segurança de 126 bits

escalabilidade

zk-SNARKs na aplicação de escalabilidade é principalmente zk-rollup. zk-rollup inclui duas classes de papéis-chave:

• Sequencer é responsável por empacotar transações
• O Agregador é responsável por combinar transações e gerar zk-SNARKs.

As vantagens do zk-rollup incluem: baixos custos, finalização rápida, proteção da privacidade, entre outros. As desvantagens incluem: grande carga de cálculo para gerar provas, o SNARK requer configurações confiáveis, etc.

Atualmente, os principais projetos de zk-rollup no mercado são:

• StarkNet da StarkWare
• zkSync da Matter Labs
• Aztec Connect da Aztec
• Hermez e Miden da Polygon
• Loopring
• Rolagem

Esses projetos diferem principalmente na abordagem técnica em relação ao uso de zk-SNARKs ou STARKs, bem como no nível de suporte ao EVM.

A compatibilidade EVM é um grande desafio para os zk-rollups. Atualmente, existem duas principais abordagens na indústria:

1. Totalmente compatível com os códigos de operação do Solidity
2. Projetar uma nova máquina virtual, garantindo simultaneamente a compatibilidade com ZK e a compatibilidade com Solidity

Recentemente, a compatibilidade com EVM fez progressos importantes, prevendo-se uma migração sem costura para os desenvolvedores da cadeia principal do Ethereum para zk-rollup, o que terá um impacto significativo no ecossistema ZK.

Três, o princípio básico do ZK-SNARKs

zk-SNARKs representa "zk-SNARKs", possui as seguintes características:

• Zero Knowledge: o processo de prova não vaza informações adicionais
• Succinto: verificação de pequena escala
• Não interativo: não interativo
• Argumentos: confiabilidade de cálculo
• de Conhecimento: o provador deve conhecer informações válidas

O processo de prova zk-SNARKs Groth16 inclui principalmente:

1. Converter a questão em circuitos
2. Converter o circuito para a forma R1CS
3. Converter R1CS para a forma QAP
4. Gerar parâmetros de configuração confiáveis
5. Gerar e verificar provas zk-SNARKs

A tecnologia de zk-SNARKs continua a desenvolver-se rapidamente e espera-se que desempenhe um papel importante em áreas como a proteção da privacidade e a escalabilidade no futuro.