Обзор технологии zk-SNARKs и ее применение в области Блокчейн

Резюме

zk-SNARKs(ZKP) как важный прорыв в области криптографии, в последние годы получил широкое применение в технологии Блокчейн. В данной статье全面回顾了ZKP技术近四十年的发展历程,重点分析了基于电路的ZKP技术、ZKVM、ZKEVM等新兴概念,以及ZK Rollup等Layer 2扩展方案。此外,文章还探讨了ZKCoprocessor、ZKML、ZKThreads等前沿研究方向,展望了ZKP在提升区块链系统效率、安全性和隐私保护方面的潜力.

Один. Основы zk-SNARKs

1. Обзор

zk-SNARKs впервые были предложены Голдвассером и др. в 1985 году, это протокол, который позволяет проверять правильность утверждения без раскрытия информации. Он обладает тремя основными характеристиками: полнотой, надежностью и нулевыми знаниями. Суть ZKP заключается в том, что доказатель может доказать проверяющему, что он обладает определенными знаниями, не раскрывая никакой информации о этих знаниях.

2. Пример zk-SNARKs

Вот простой пример ZKP, включающий три этапа: настройка, вызов и ответ:

Этап настройки: доказывающий выбирает секретное число s, вычисляет v=gs mod p и отправляет его верификатору.

Этап вызова: валидатор случайным образом выбирает место вызова a и отправляет его доказателю.

Этап ответа: доказатель вычисляет ответ g на основе значения a, а проверяющий проверяет, удовлетворяет ли g определенному уравнению.

Через многораундные взаимодействия, проверяющий может быть уверен, что доказатель обладает секретом s, не зная его конкретное значение.

2. Непосредственные zk-SNARKs

1. Фон

Традиционные ZKP обычно требуют многократного взаимодействия, что в некоторых сценариях применения нецелесообразно. Появление неинтерактивных нулевых доказательств (NIZK) решает эту проблему.

2. Развитие NIZK

Блум и др. впервые представили концепцию NIZK в 1988 году, введя модель с общими ссылочными строками (CRS). Затем были предложены методы, такие как преобразование Фиата-Шамира, для преобразования интерактивных ZKP в неинтерактивные. Исследования Грота и др. дальнейшим образом способствовали применению NIZK в криптографии и Блокчейне.

Три. Доказательство с нулевым знанием на основе схемы

1. Фон

Системы ZKP на основе схем показывают свои преимущества при выполнении сложных вычислительных задач и становятся ключевым направлением текущих исследований в области ZKP.

2. Концепция и характеристики электрической модели

Циркуляционная модель преобразует вычислительный процесс в цепь, состоящую из вентилей и соединений, и делится на две основные категории: арифметические цепи и логические цепи. Эта модель подходит для параллельной обработки и определенных типов вычислительных задач.

3. Проектирование и применение цепей в zk-SNARKs

Процесс проектирования схем включает в себя представление проблемы, оптимизацию схем, преобразование полиномиального представления и другие этапы. Через разумное проектирование можно повысить эффективность и безопасность системы ZKP.

4. Потенциальные недостатки и вызовы

Сложность схемы, трудность оптимизации, адаптивность к конкретным задачам и другие факторы по-прежнему являются основными вызовами, с которыми сталкиваются системы ZKP на основе схем.

Четыре, модель zk-SNARKs

В этом разделе представлены различные модели ZKP, включая zk-SNARKs, модель Бена-Сассона, модель Пиноккио, Bulletproofs и другие. Эти модели имеют свои особенности и подходят для разных сценариев применения.

Пять, Обзор и развитие zk-SNARKs виртуальной машины

1. Фон

ZKVM как способ реализации ZKP системы, предназначен для генерации zk-SNARKs с помощью программ виртуальной машины.

2. Существующая классификация ZKVM

Основные виды: мейнстримный ZKVM, эквивалентный EVM ZKVM и оптимизированный ZKVM с нулевым знанием.

3. Парадигмы фронтенда и бэкенда

Система ZKP обычно делится на две части: фронтэнд, отвечающий за представление вопросов, и бэкенд, отвечающий за генерацию и проверку доказательств.

4. Преимущества и недостатки парадигмы ZKVM

ZKVM обладает преимуществами, такими как использование существующего набора инструкций и поддержка многопрограммности, но также сталкивается с вызовами, такими как высокая нагрузка на универсальность и дорогие операции.

Шесть. Обзор и развитие zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine

1. Фон

ZKEVM специально разработан для Эфириума, чтобы проверять правильность выполнения смарт-контрактов и защищать конфиденциальность транзакций.

2. Принципы работы ZKEVM

ZKEVM реализует свою функцию через обработку журналов выполнения, генерацию ZK-доказательств, агрегацию доказательств и другие этапы.

3. Процесс реализации ZKEVM

Включает в себя этапы получения данных, обработки данных, генерации доказательства, рекурсивного доказательства и подачи доказательства.

4. Особенности ZKEVM

Основные характеристики включают повышение производительности обработки транзакций, защиту конфиденциальности и эффективную проверку.

Семь. Обзор и развитие решения второго уровня с нулевым знанием

1. Фон

ZK Rollup как решение для расширения Layer 2 Ethereum, направлено на решение проблемы масштабируемости Блокчейн.

2. Механизм работы ZK Rollup

С помощью выполнения транзакций вне цепочки и генерации доказательства действительности, ZK Rollup может существенно повысить эффективность обработки транзакций.

3. Оптимизация ZK Rollup

Основные направления включают оптимизацию вычислений криптографических алгоритмов, смешение Optimistic и ZK Rollup, разработку специализированного ZK EVM и аппаратную оптимизацию.

Восемь. Будущее развития zk-SNARKs

1. Ускорение развития вычислительной среды

Включая развитие технологий, таких как ZK-ASIC и ZKCoprocessor.

2. Появление и развитие ZKML

ZKML сочетает в себе ZKP и технологии машинного обучения, предоставляя новые возможности для вычислений с защитой конфиденциальности.

3. Развитие технологий расширения ZKP

Предложение таких технологий, как ZKThreads и ZK Sharding, открывает новые идеи для масштабирования Блокчейн.

4. Развитие интероперабельности zk-SNARKs

Технологии, такие как ZK State Channels и ZK Omnichain Interoperability Protocol, способствуют развитию межцепочечной совместимости.

Девять. Заключение

Данная статья подробно рассматривает развитие технологий ZKP и их применение в области Блокчейн, демонстрируя огромный потенциал ZKP в повышении эффективности, безопасности и защиты конфиденциальности Блокчейн-систем. С постоянным развитием технологий ZKP, вероятно, будет играть важную роль в более широких сферах.