El desarrollo y la aplicación de zk-SNARKs

zk-SNARKs de la evolución histórica

El sistema moderno de zk-SNARKs se originó en 1985 con la teoría de sistemas de prueba interactiva propuesta por Goldwasser, Micali y Rackoff. Esta teoría explora cuánta información debe intercambiarse durante el proceso interactivo para demostrar la corrección de una afirmación y presenta el concepto de zk-SNARKs.

Los sistemas de zk-SNARKs en sus primeras etapas presentaban deficiencias en eficiencia y practicidad, permaneciendo principalmente en el ámbito teórico. No fue sino hasta la última década, con el auge de la criptografía en el campo de las criptomonedas, que los zk-SNARKs comenzaron a convertirse en una dirección de investigación importante. En este contexto, desarrollar protocolos de zk-SNARKs que sean generales, no interactivos y de tamaño de prueba limitado se ha convertido en una de las direcciones clave de exploración.

Un gran avance en las pruebas de conocimiento cero ocurrió en 2010, cuando Groth propuso la prueba de conocimiento cero no interactiva de emparejamiento corto, que sentó las bases teóricas de zk-SNARKs. En 2015, las pruebas de conocimiento cero se aplicaron por primera vez en el proyecto Zcash, con el fin de proteger la privacidad de las transacciones. Desde entonces, la combinación de zk-SNARKs con contratos inteligentes ha ampliado aún más sus escenarios de aplicación.

En este proceso, algunos logros académicos importantes incluyen:

• El protocolo Pinocchio de 2013 mejoró significativamente la eficiencia de la prueba y verificación.
• El algoritmo Groth16 de 2016, que simplificó aún más la escala de la prueba y mejoró la eficiencia de la verificación.
• El algoritmo Bulletproofs de 2017 propuso pruebas de conocimiento cero no interactivas y breves.
• El protocolo zk-STARKs de 2018, un nuevo sistema de pruebas de conocimiento cero que no requiere configuración confiable.

Además, soluciones emergentes como PLONK y Halo2 han realizado importantes mejoras en zk-SNARKs.

Aplicaciones principales de zk-SNARKs

zk-SNARKs tiene amplias aplicaciones en los campos de la protección de la privacidad y la escalabilidad.

En cuanto a la protección de la privacidad, los primeros proyectos de transacciones privadas como Zcash y Monero han atraído una amplia atención. Sin embargo, la necesidad de transacciones privadas no ha sido tan prominente como se esperaba en la industria, y los proyectos relacionados han ido quedando en un segundo plano.

En términos de escalabilidad, con la transición de Ethereum 2.0 hacia un enfoque centrado en rollups, los esquemas de escalabilidad basados en zk-SNARKs han vuelto a ser el foco de atención. Principalmente incluyen:

• Escalabilidad de la red de primera capa: como el proyecto Mina
• Escalado de redes de segunda capa: es decir, el esquema zk-rollup

zk-rollup involucra principalmente a dos tipos de roles: el Sequencer es responsable de empaquetar transacciones, y el Aggregator se encarga de combinar transacciones y generar zk-SNARKs. Esta solución tiene ventajas como costos bajos y finalización rápida, pero también enfrenta desafíos como una gran carga computacional y riesgos de seguridad potenciales.

Actualmente, los principales proyectos de zk-rollup en el mercado incluyen StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll, entre otros. Estos proyectos eligen principalmente entre SNARK( y sus versiones mejoradas ) y STARK, así como si son compatibles con EVM.

La compatibilidad con EVM ha sido un foco de atención en la industria. Los proyectos tempranos a menudo tenían que hacer un compromiso entre la eficiencia de zk-SNARKs y la compatibilidad con EVM. En los últimos años, la rápida iteración tecnológica ha hecho posible lograr una buena compatibilidad con EVM mientras se garantiza la eficiencia de zk-SNARKs, lo que tendrá un impacto importante en el ecosistema de desarrollo de zk-SNARKs y en la competencia.

Principios básicos de zk-SNARKs

zk-SNARK( zk-SNARKs ) es uno de los sistemas de prueba de conocimiento cero más utilizados en la actualidad. Su idea central es transformar problemas de cálculo complejos en problemas polinómicos simples, y luego probar y verificar a través de medios criptográficos.

El proceso de implementación de zk-SNARKs incluye los siguientes pasos:

1. Convertir el problema en un circuito aritmético
2. Convertir el circuito a la forma del Sistema de Restricciones de Rango 1 (R1CS) (.
3. Convertir R1CS en la forma de QAP)Programa Aritmético Cuadrático(
4. Establecer una configuración confiable, generar claves de prueba y claves de verificación
5. Generar zk-SNARKs y realizar la verificación

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Este proceso garantiza tanto la naturaleza de conocimiento cero de la prueba como su simplicidad y no interactividad, sentando las bases para la amplia aplicación de zk-SNARKs en el ámbito de la cadena de bloques.

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