原文标题:《我们研究了ZK的技术史,发现下一个千亿应用蕴藏其上》
原文作者:Web3研究型组织R3PO
加密世界的焦点经历了比特币、以太坊、DeFi、NFT、元宇宙和Web3的多次变迁,唯独缺少对加密技术本身的关注,除了比特币的椭圆曲线加密算法还算有一点大众认知度,其他加密算法基本停留在研究员和开发者的自嗨中。
R3PO认为这不够去中心化,会严重阻碍Web3的进一步扩展,密码学是区块链的基础件,不应该被少数人掌握,而应走向更广阔的领域。
R3PO希望能用新的书写范式去阐述术语的含义,兼顾专业性和可读性,致力于为机构投资者、项目方发现潜藏在发展中的投资机会、创业方向和切入点,寻找到未被发掘的收益。
近期大热的零知识证明技术仍是一个不断发展、不断革新的细分领域,但其技术本身又具备足够广阔的应用场景,因此对其进行全景梳理显得十分重要。
零知识证明技术并非新概念,细细梳理可知,迄今已经经过40年的发展,诞生出多种模型和应用。
进入Web3时代,早在2017年,V神便已经注意到ZK技术在以太坊上的使用潜力,而最近Starkware获得1亿美元的融资使其总融资额度达2.25亿,这代表机构是以公链级别的估值和潜力来看待ZK技术。这将是一个长期鏖战的领域,会暴露出更多的投资机会。
向后推演20年,R3PO认为ZK发展至少具备一个甲子的生命长度,因此描绘整个ZK的发展历程需要追本溯源,以更好地厘清其发展逻辑,寻找到下一步的潜在机会。
本系列首篇将会从零知识证明起步,超越ZK只能应用于L2领域的固有观念,带给大家全新的系统性认知。
24小时数字货币行情梳理:根据Bitfinex交易平台数据显示,
BTC最新成交价格47987.86元,最高价格49726.09元,最低价格47812.37元,成交量1.84万,跌幅2.93%;
ETH最新成交价格3756.42元,最高价达4003.19元,最低价格3721.19元,成交量15.77万,跌幅5.86%;
BCH最新成交价格7043.89元,最高价达7780.43元,最低价格6929.89元,成交量6.05万,跌幅7.64%。[2018/6/5]
零起步:ZK的组装过程
1982:财不外露,便分高低
对于财富的追求自古有之,项羽就说过:「富贵不还乡,如衣锦夜行」,但太多的财富会引人觊觎,有没有一种办法,在既不暴露财富数量的同时又比较出财富的多寡呢?
1982年,后来的图灵奖得主姚期智便设想过这个问题,这就是著名的百万富翁问题,省略其数学过程,其大致运作模式如下:
-Alice和Bob选择代表自己财富数量的数字i和j,取值区间在1-10之间;
-?Alice对i进行单向加密,并将加密后的结果k发送给Bob,Bob得到一个与i相关的新值;
-?Bob对k进行运算后会得到一个新值m,并将其传递回Alice此时,Alice可以判断m和i的关系。
-?这个过程可以继续推演,双方可在不完成信息暴露的前提下最终完成比较。
当然,以上过程并不全面,但足以说明一个问题,我们确实可以在两方之间,并且在不暴露信息的前提下进行计算,如果将两方扩展至多方,将区间扩展至更大范围,那么这就是典型的多方安全计算MPC(SecureMulti-partyComputation)问题。
早间数字货币行情梳理:根据Bitfinex交易平台数据显示,
BTC最新成交价格48042.05元,最高价达48362.28元,最低价格45179.2元,成交量3.06万,涨幅0.82%;
ETH最新成交价格3659.07元,最高价达3682.75元,最低价格3237.76元,成交量34.35万,涨幅2.57%;
BCH最新成交价格6371.1元,最高价达6448.95元,最低价格5570.39元,成交量5.73万,涨幅1.86%。[2018/5/30]
百万富翁问题是ZK讨论的一个起点:
-?在不暴露财富信息的前提下,符合零知识的定义;
-?在不借助第三方进行评估的条件下,考察的是两者或者参与方之间的直接交互。
1985:零知识证明面世
1985年,Goldwasser、Micali和Rackoff首次提出Zero-KnowledgeProof模型,准确而言是「交互式零知识证明」模型,简单而言就是允许在多次交互的前提下,通过ZK技术来验证真假、大小。
此处的零知识并不完全准确,以Alice和Bob的互动为例,Alice和Bob可以互为验证者和证明者,但是两者间传递的信息不能和财富数量本身有关,这里的零知识是指相关性为零,而并非不传递信息。
而交互式指的是可以多次进行交互,这个过程可以反复进行,直至得出正确结果。
至此,目前所熟知的ZK技术迈出了成型的第一步,接下来的一切发展,都是在其上的删减增改。
早间数字货币行情梳理:根据Bitfinex交易平台数据显示,
BTC最新成交价格60442.23元,最高价达61690.30元,最低价格58659.27元,成交量1.9万,涨幅1.1%;
ETH最新成交价格4364.03元,最高价达4488.85元,最低价格4339.95元,成交量14.65万,跌幅0.72%;
BCH最新成交价格6953.53元,最高价达7185.32元,最低价格6443.45元,成交量1.12万,跌幅0.26%;
ETC最新成交价格130.45元,最高价达135.92元,最低价格129.26元,成交量49.68万,涨幅0.32%;
LTC最新成交价格1115.73元,最高价达1151.80元,最低价格1084.08元,成交量25.62万,涨幅1.09%。[2018/3/14]
1991:非交互式零知识证明
当时间来到1991年,ManuelBlum、AlfredoSantis、SilvioMicali和GiuseppePersiano提出非交互式零知识证明,闻名即可知,此次升级重点是进行非交互式的证明过程,也就是在双方之间不进行交互的同时,验证一个定理、假说的真伪性,这看似很反直觉,但是有一个绝妙的例子可以说明:
-?Alice和Bob财富自由后变身数学家。Alice离开web2去环游web3,期间Alice继续ZK研究。
-?我们假设Alice能够在发现一个新定理的证明时,给Bob写一张明信片,证明她在研究中取得了新进展。
-?这是一个非交互式的过程,准确的说,它是一个单方向的互动:只从Alice到Bob。即使Bob想回答,他也不可能。因为Alice没有稳定的地址,在任何邮件能到达她之前就会搬走。
早间数字货币行情梳理:根据Bitfinex交易平台数据显示,
BTC最新成交价格61107.00元,最高价达61856.01元,最低价格55865.26元,成交量4.94万,跌幅0.71%;
ETH最新成交价格5993.79元,最高价达6063.41元,最低价格5515.19元,成交量18.95万,涨幅0.61%;
BCH最新成交价格8782.10元,最高价达9164.56元,最低价格8478.44元,成交量0.26万,跌幅2.18%;
ETC最新成交价格223.57元,最高价达237.12元,最低价格212.68元,成交量234.76万,跌幅1.34%;
LTC最新成交价格1364.27元,最高价达1432.56元,最低价格1041.68元,成交量86.42万,跌幅2.34%。[2018/2/15]
-?我们约定,只要Bob收到邮件,我们不需要查看邮件内容,就可以确定「Alice取得了研究上的新进展」这个命题为真。
非交互式零知识证明将交互次数减少到最多一次,可实现线下验证和公开验证,前者为Rollups奠定了有效性基础,后者耦合区块链的广播机制,可避免多次计算带来的资源浪费。
至此,我们目前见到的ZK便已经成为成熟理论模型,但此时的ZK更多是数学和密码学领域的研究对象,和区块链并无太多关联,而在比特币出现后,加密技术+区块链才成为研究的方向,而ZK无疑是其中的佼佼者。
值得注意的是,中本聪本人并不排斥ZK技术在比特币网络的使用,更多的是当时的ZK技术不成熟,因此最终选择了较为安全的ECC算法,而ZK本身可以直接应用到Layer1区块链上,Zcash、Mina,以及以太坊的伊斯坦布尔升级都涉及到了零知识证明的相关领域。
12小时数字货币行情梳理:根据Bitfinex交易平台数据显示,BTC最新成交价格99,749.01元,最高价达101,710.70元,最低价格86,268.16元,成交量5.43万,涨幅12.00%;
ETH最新成交价格4,900.73元,最高价达4,947.03元,最低价格4,501.32元,成交量18.69万,涨幅5.89%;
BCH最新成交价格23,835.11元,最高价达25,381.67元,最低价格23,228.62元,成交量6.67万,涨幅1.33%;
ETC最新成交价格193.90元,最高价达201.42元,最低价格178.34元,成交量57.45万,涨幅5.02%;
LTC最新成交价格1,809.78元,最高价达1,837.98元,最低价格1,685.47元,成交量19.01万,涨幅4.43%。[2017/12/26]
一相逢:SNARK介入区块链
2010-2014Zcash:SNARKs(Zero-KnowledgeSuccinctNon-InteractiveArgumentofKnowledge)实用化场景
在比特币网络出现后,安全和隐私成为人们对区块链的最初认知。市场上出现了一系列基于隐私的公链和应用,如Zerocash/Zcash使用的SNARKs,以及在Monero中使用的子弹证明Bulletproofs等。
2010年,Groth实现了首个基于ECC算法的,O(1)常数级的ZK。也即ZK-SNARKs或者ZK-SNARGs。
-?SNARGs:SuccinctNon-InteractiveArguments
-?SNARKs:SuccinctNon-InteractiveArgumentsofKnowledge
从应用角度来说,此次改进在于「简洁」Succinct功能上,具体而言,SNARK致力于压缩信息本身的大小,在ZCash中,程序电路是固定的,因此多项式验证也是固定的,这使得设置只需执行一次,交易后续只需改变输入便可复用。
在2013年,Pinocchio协议提升效率至分钟级别证明,以及毫秒级别的验证时间,开销控制在300字节以内,这也是ZK-SNARKs技术真正首次落地到区块链领域。
这证明了ZK技术可以在隐私场景上发挥作用,R3PO判断后续的隐私路线会具备脱离L2单独存在的潜力,Aztec证明了隐私DeFi路线的可行性,而在tornado被制裁后,链上金融隐私仍旧是强烈的刚需,这个方向的投资机会仍未被广泛发掘,值得后续期待。
此外,隐私币项目Zerocash进一步改进了相关算法,使用的是SCIPRLab优化后的zk-SNARKs算法,在理论条件下,可以做到既隐藏付款来源、接受者和金额,并且交易可以控制在1KB以内,验证时间在6ms之内。
Mina:递归ZK压缩数据
Mina不同于以太坊L2,其是一条L1级别的高性能公链,其运行节点只有22KB,而之所以能做到如此之小,在于其大幅度利用递归来证明ZK确认的有效性,即每一条信息都带有之前的确认结果。
-?Step1:zk-SNARKs证明节点有效性,只需要保存其证明结果;
-?Step2:通过递归调用,确保节点有效性的正确传递和检索,不需要保留所有历史数据,实现极致压缩数据的效果;
传递结果的有效性,而非保存全节点数据,这是Mina证明行之有效的手段,而在以太坊L2,ZK-Rollup可以通过打包多次交易数据,结算一次的方式完成有效性证明,而进一步推演,L2之上可以叠加L3,或者Dapp应用,这些都是ZK可以发展的细分赛道,比如dYdX目前运行在Starkex之上,以及架构在Starkware之上的L2ImmutableX,都证明ZK的使用潜力,这个赛道的价值目前仍未被全部挖掘,仍留有长期的投资价值。
至此,ZK-Rollup涉及所有的技术要件就已经基本齐备了,我们已经装备好足够的ZK基础知识,并且可以总结ZK的以下特点:
-?非交互式:不需要多次验证,只需一次验证就可以广播至全网;
-?零知识:不需要透露信息本身的特征,可在全网进行公开传播;
-?知识:知识不是公开、易得的信息,必须具备独特的价值,比如经济价值、隐私价值等;
-?证明:证明由数学手段确认,安全性经过多年研究和实践检验;
如果将这些技术特点组合起来,我们可以发现,ZK天然适合L2扩容,并且又不局限于L2,ZK技术的其他应用会在后文中持续发表,欢迎大家继续关注。
双龙会:STARK终将取SNARK而代之
ZK-STARK:开发难度以10年计的种子选手
对比二者的差异,主要在于STARK中的S是Scalability之意,面向的是更加大型数据的复杂使用场景,但其整体上仍旧是一个正在发展中的技术路线。
本文不过多涉及具体L2之间的区别,但有一点很明显,除StarkWare之外,其他的L2项目,包括zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等都采用的是SNARKs技术路线。
究其原因,在于STARK的开发难度过大,目前只有StarkWare有能力进行自研,但其好处也十分明显,相较于SNARK,其可承载的运算量也会更大,在运行大型数据时,其安全性会更高,比如游戏、社交、NFT等方向。
其次,STARK路线具备抗量子攻击的特性,这在未来十年具备颠覆行业格局能力的可能,比特币采用的ECC算法并不能完全具备抗量子破解的可能,如果加入zk-STARKs技术,其安全性会显著提高。
可以总结以太坊L2的格局,短期OptimisticRollup,5年后zk-SNARKs路线,10年后zk-STARK路线终将会胜出。
ZK-Rollup:数据的上探,信息的下钻
介绍完zk-STARKs之后,L2扩容的全部技术特征便已完备,只缺少对Rollup的介绍,实际上,Rollup利用的是ZK的验证机制,而摆脱其对数据量的需求:在L1负责共识和结算的前提下,由L2负责应用的具体日常运营,用户不需要和L1直接交互,其体验会高度接近于目前的App。
更进一步的说,Rollup在完成信息的打包后,会将验证后的信息加密成知识,随后传递给L1,以攻破安全性、去中心化和扩展性的不可能三角。
总结
我们从百万富翁问题出发,由MPC问题过渡到零知识证明领域,出于经济原因,交互式的零知识证明不完全适用于链上活动,而非交互零知识证明逐渐成为主流。
随着Zcash的发展,SNARKs技术日渐应用到其中,使ZK技术从单纯的密码学研究对象变身为区块链领域中使用的工程手段,在隐私、安全、效率方面发挥自己的作用。
以太坊扩容场景,则使ZK成就了L2,Rollup技术路线战胜其他竞争对手,zk-STARKs也逐渐发展起来,有望激活挖矿、GameFi、NFT等更为普遍的使用场景。
在以太坊之外,越来越多的新模式已经逐步涌现,比如可定制模块化Rollup路线,又如刚完成1500万美元融资的Eclipse,其路线图会支持Move语言和Solona网络,以及完成3000万美元融资的Scroll,其希望建立EVM等效的ZK-Rollup。
新故事背后的驱动力是对ZK技术的认可,广泛来说,ZK是一个「大而全,长而远」的领域,大额融资消息的不断传出也说明市场对其接受度在逐步走高,但总体而言,这还是一个新领域,即使仅论其技术路线,也有「内卷」的流派,而其中的投资机会则长期存在,无论是内嵌入底层基础设施,还是落地于具体应用场景,需要我们不断去发掘。
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