zk-SNARKs技术综述及其在 Blockchain领域的应用

Resumo

zk-SNARKs(ZKP) como um importante avanço no campo da criptografia, tem sido amplamente aplicado na tecnologia Blockchain nos últimos anos. Este artigo revisa de forma abrangente o desenvolvimento da tecnologia ZKP nos últimos quarenta anos, analisando em detalhe conceitos emergentes como a tecnologia ZKP baseada em circuitos, ZKVM, ZKEVM, e soluções de escalabilidade Layer 2 como ZK Rollup. Além disso, o artigo explora direções de pesquisa de ponta como ZKCoprocessor, ZKML, ZKThreads, e antecipa o potencial do ZKP em melhorar a eficiência, segurança e proteção de privacidade dos sistemas Blockchain.

Um, fundamentos de zk-SNARKs

1. Resumo

Os zk-SNARKs foram introduzidos pela primeira vez por Goldwasser e outros em 1985, sendo um protocolo que permite verificar a validade de uma proposição sem a necessidade de revelar informações. Possui três características básicas: completude, solidez e zero conhecimento. O núcleo do ZKP está na capacidade do provador de demonstrar ao verificador que possui determinado conhecimento, sem revelar qualquer informação sobre esse conhecimento.

2. Exemplo de zk-SNARKs

Aqui está um exemplo simples de ZKP, que inclui três fases: configuração, desafio e resposta:

Fase de configuração: o provador escolhe um número secreto s, calcula v=gs mod p e envia ao validador.

Fase de desafio: o validador seleciona aleatoriamente um bit de desafio a e o envia para o provador.

Fase de resposta: o provador calcula a resposta g com base no valor de a, e o verificador verifica se g satisfaz uma equação específica.

Através de múltiplas interações, o validador pode ter certeza de que o provador possui o segredo s, sem precisar conhecer o valor específico de s.

Dois, zk-SNARKs não interativos

1. Contexto

As provas de conhecimento zero tradicionais geralmente requerem múltiplas interações, o que não é prático em certos cenários de aplicação. A introdução da prova de conhecimento zero não interativa (NIZK) resolveu esse problema.

2. Desenvolvimento de NIZK

Blum e outros propuseram pela primeira vez o conceito de NIZK em 1988, introduzindo o modelo de String de Referência Pública (CRS). Em seguida, métodos como a transformação Fiat-Shamir foram propostos para converter ZKP interativos em não interativos. A pesquisa de Groth e outros impulsionou ainda mais a aplicação de NIZK na criptografia e na tecnologia Blockchain.

Três, Prova de Conhecimento Zero Baseada em Circuito

1. Contexto

Os sistemas ZKP baseados em circuitos demonstram vantagens ao lidar com tarefas computacionais complexas, tornando-se a principal direção da pesquisa ZKP atual.

2. Conceito e características do modelo de circuito

O modelo de circuito converte o processo de cálculo em um circuito composto por portas e conexões, sendo principalmente dividido em duas categorias: circuitos aritméticos e circuitos lógicos. Este modelo é adequado para processamento em paralelo e tipos específicos de tarefas de cálculo.

3. Design e aplicação de circuitos em zk-SNARKs

O processo de design de circuitos inclui a representação de problemas, otimização de circuitos, conversão de representações polinomiais, entre outros passos. Através de um design adequado, é possível aumentar a eficiência e a segurança do sistema ZKP.

4. Defeitos e desafios potenciais

A complexidade do circuito, a dificuldade de otimização e a adaptabilidade a tarefas específicas continuam a ser os principais desafios enfrentados pelos sistemas ZKP baseados em circuitos.

Quatro, zk-SNARKs modelo

Esta seção apresenta vários modelos de ZKP, incluindo zk-SNARKs, modelo Ben-Sasson, modelo Pinocchio, Bulletproofs, entre outros. Estes modelos têm características distintas e são adequados para diferentes cenários de aplicação.

Cinco, Visão Geral e Desenvolvimento da Máquina Virtual de Prova de Conhecimento Zero

1. Antecedentes

ZKVM, como uma forma de implementação de ZKP, visa gerar zk-SNARKs através de programas de máquina virtual.

2. Classificação do ZKVM existente

Principalmente dividido em três tipos: ZKVM de tipo mainstream, ZKVM equivalente a EVM e ZKVM otimizado por provas zk-SNARKs.

3. Paradigma de Front-end e Back-end

O sistema ZKP geralmente é dividido em duas partes: a parte frontal é responsável pela representação do problema, enquanto a parte de trás é responsável pela geração e verificação de provas.

4. Vantagens e desvantagens do paradigma ZKVM

O ZKVM tem a vantagem de utilizar o conjunto de instruções existente e suportar múltiplos programas, mas também enfrenta desafios como altos custos operacionais e grandes despesas de generalidade.

Seis, Visão Geral e Desenvolvimento do zk-SNARKs no Ethereum Virtual Machine

1. Contexto

ZKEVM foi projetado especificamente para o Ethereum, usado para validar a correção da execução de contratos inteligentes e proteger a privacidade das transações.

2. Como funciona o ZKEVM

O ZKEVM realiza sua função através do processamento de logs de execução, geração de provas ZK, agregação de provas, entre outros passos.

3. O processo de implementação do ZKEVM

Inclui etapas como obtenção de dados, processamento de dados, geração de provas, provas recursivas e submissão de provas.

4. Características do ZKEVM

Principalmente inclui características como aumento da capacidade de processamento de transações, proteção da privacidade e validação eficiente.

Sete, Visão Geral e Desenvolvimento de Soluções de Redes de Segunda Camada com zk-SNARKs

1. Contexto

ZK Rollup como uma solução de escalabilidade Layer 2 do Ethereum, visa resolver o problema de escalabilidade do Blockchain.

2. Mecanismo de funcionamento do ZK Rollup

Ao executar transações fora da cadeia e gerar provas de validade, o ZK Rollup pode melhorar significativamente a eficiência do processamento de transações.

3. Direção de otimização do ZK Rollup

Principalmente inclui a otimização do cálculo de algoritmos criptográficos, a combinação de Optimistic e ZK Rollup, o desenvolvimento de um ZK EVM dedicado e a otimização de hardware, entre outras direções.

Oitavo, o futuro desenvolvimento dos zk-SNARKs

1. Aceleração do desenvolvimento do ambiente de cálculo

Inclui o desenvolvimento de tecnologias como ZK-ASIC e ZKCoprocessor.

2. Proposta e desenvolvimento do ZKML

ZKML combina ZKP e tecnologias de aprendizagem automática, oferecendo novas possibilidades para computação de proteção de privacidade.

3. Desenvolvimento de tecnologias de escalonamento de ZKP

A proposta de tecnologias como ZKThreads e ZK Sharding oferece novas perspectivas para a expansão da Blockchain.

4. Desenvolvimento da interoperabilidade zk-SNARKs

As tecnologias como os Canais Estaduais zk e o Protocolo de Interoperabilidade Omnichain zk impulsionaram o desenvolvimento da interoperabilidade entre blocos.

Nove, Conclusão

Este artigo revisa abrangentemente a evolução da tecnologia ZKP e suas aplicações no domínio da Blockchain, demonstrando o enorme potencial do ZKP na melhoria da eficiência, segurança e proteção da privacidade dos sistemas de Blockchain. Com o contínuo avanço da tecnologia, espera-se que o ZKP desempenhe um papel importante em áreas mais amplas.