Огляд технології zk-SNARKs та її застосування в сфері Блокчейн

Резюме

zk-SNARKs(ZKP) як важливий прорив у сфері криптографії, останніми роками отримав широке застосування в технології Блокчейн. Ця стаття всебічно оглядає розвиток технології ZKP за останні чотири десятиліття, зосереджуючи увагу на технології ZKP на основі схем, нових концепціях, таких як ZKVM, ZKEVM, а також на рішеннях розширення Layer 2, таких як ZK Rollup. Крім того, стаття також досліджує передові напрямки досліджень, такі як ZKCoprocessor, ZKML, ZKThreads, та прогнозує потенціал ZKP у підвищенні ефективності, безпеки та захисту приватності систем Блокчейн.

Один. Основи zk-SNARKs

1. Огляд

zk-SNARKs вперше були запропоновані Goldwasser та іншими у 1985 році, це протокол, який дозволяє перевірити правильність твердження без розкриття інформації. Він має три основні характеристики: повноту, надійність і нульову обізнаність. Основна суть ZKP полягає в тому, що доводящий може довести перевіряючому, що він володіє певним знанням, не розкриваючи жодної інформації про це знання.

2. Приклад zk-SNARKs

Наступний простий приклад zk-SNARKs включає три етапи: налаштування, виклик і відповідь:

Етап налаштування: довіритель обирає секретне число s, обчислює v=gs mod p та надсилає його перевіряльнику.

Етап виклику: валідатор випадковим чином обирає виклик a і надсилає його доказнику.

Етап відповіді: доказувач обчислює відповідь g на основі значення a, а перевіряючий перевіряє, чи задовольняє g певне рівняння.

Через багаторазову взаємодію, валідатор може бути впевнений, що доказувач має секрет s, не дізнаючись конкретне значення s.

Два, неінтерактивні zk-SNARKs

1. Фон

Традиційні ZKP зазвичай потребують багаторазового взаємодії, що в деяких сценаріях застосування є непрактичним. Введення неінтерактивних нульових знань (NIZK) вирішило цю проблему.

2. Розвиток NIZK

Концепцію NIZK вперше запропонували Блум та інші у 1988 році, ввівши модель з публічним референсним рядком (CRS). Після цього були запропоновані такі методи, як перетворення Фіата-Шаміра, для перетворення інтерактивного ZKP в неінтерактивний. Дослідження Гротха та інших додатково сприяли застосуванню NIZK у криптографії та Блокчейн технологіях.

Три, основані на схемах zk-SNARKs

1. Фон

Системи ZKP на основі схем демонструють переваги при обробці складних обчислювальних завдань, стаючи актуальним напрямком досліджень ZKP.

2. Концепція та особливості електричних моделей

Електрична модель перетворює обчислювальний процес на схему, що складається з воріт і з’єднань, яка в основному ділиться на два типи: арифметичні схеми та логічні схеми. Ця модель підходить для паралельної обробки та специфічних видів обчислювальних завдань.

3. Дизайн та застосування електричних схем у zk-SNARKs

Процес проектування електронних схем включає в себе представлення проблеми, оптимізацію схем, перетворення поліноміального представлення та інші етапи. Завдяки розумному проектуванню можна підвищити ефективність та безпеку системи ZKP.

4. Потенційні недоліки та виклики

Складність схем, труднощі оптимізації, адаптація до конкретних завдань та інші фактори залишаються основними викликами, з якими стикаються системи ZKP на базі схем.

Чотири, zk-SNARKs модель

У цьому розділі представлені різні моделі ZKP, включаючи zkSNARK, модель Бена-Сассона, модель Піночетта, Bulletproofs та інші. Ці моделі мають свої особливості та підходять для різних сценаріїв застосування.

V. Огляд та розробка віртуальних машин з нульовим розголошенням

1. Фон

ZKVM як один з варіантів реалізації ZKP системи, має на меті генерувати zk-SNARKs через програми віртуальної машини.

2. Існуюча класифікація ZKVM

Основні типи поділяються на три категорії: основний ZKVM, еквівалентний EVM ZKVM та оптимізований за нульовими знаннями ZKVM.

3. Парадигми фронтенду та бекенду

Системи zk-SNARKs зазвичай поділяються на фронтенд і бекенд, фронтенд відповідає за представлення запитань, бекенд відповідає за генерацію та перевірку доказів.

4. Переваги та недоліки ZKVM-парадигми

ZKVM має переваги, такі як використання існуючого набору інструкцій, підтримка багатопрограмності, але також стикається з викликами, такими як великі витрати на універсальність і високі витрати на операції.

Шість, огляд і розвиток zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine

1. Фон

ZKEVM спеціально розроблений для Ethereum, щоб перевіряти коректність виконання смарт-контрактів та захищати конфіденційність транзакцій.

2. Принцип роботи ZKEVM

ZKEVM реалізує свою функцію через обробку журналів виконання, генерацію zk-доказів, агрегацію доказів та інші етапи.

3. Процес реалізації ZKEVM

Включаючи етапи отримання даних, обробки даних, генерації доказів, рекурсивних доказів та подання доказів.

4. Особливості ZKEVM

Основні характеристики включають підвищення потужності обробки транзакцій, захист конфіденційності та ефективну верифікацію.

Сім, огляд та розвиток рішення для другого рівня zk-SNARKs

1. Фон

ZK Rollup як рішення для розширення Layer 2 на Ethereum, має на меті вирішення проблеми масштабованості Блокчейн.

2. Механізм роботи zk-Rollup

Завдяки виконанню транзакцій поза блокчейном та генерації доказів дійсності, ZK Rollup може суттєво підвищити ефективність обробки транзакцій.

3. Напрямки оптимізації ZK Rollup

Основні напрямки включають оптимізацію обчислень криптографічних алгоритмів, змішання Optimistic та zk-Rollup, розробку спеціалізованого ZK EVM, а також апаратну оптимізацію.

Вісім. Напрямки подальшого розвитку zk-SNARKs

1. Прискорення розвитку обчислювального середовища

Включаючи розвиток технологій, таких як ZK-ASIC та ZKCoprocessor.

2. Виникнення та розвиток ZKML

ZKML поєднує ZKP і технології машинного навчання, що відкриває нові можливості для обчислень з захистом конфіденційності.

3. Розвиток технологій масштабування ZKP

Введення таких технологій, як ZKThreads і ZK Sharding, надало нові ідеї для розширення Блокчейн.

4. Розвиток інтерактивності zk-SNARKs

Технології, такі як ZK State Channels і ZK Omnichain Interoperability Protocol, сприяли розвитку міжланкової взаємодії.

Дев’яте. Висновок

Ця стаття всебічно розглядає історію розвитку технології ZKP та її застосування в сфері Блокчейн, демонструючи величезний потенціал ZKP у підвищенні ефективності, безпеки та захисту конфіденційності Блокчейн-систем. З розвитком технології ZKP має перспективи відігравати важливу роль у більш широких сферах.