Развитие и применение zk-SNARKs

Историческая эволюция zk-SNARKs

Современная система нулевых знаний возникла в 1985 году благодаря теории интерактивных доказательных систем, предложенной Голдвассером, Микали и Раковом. Эта теория исследует, сколько знаний необходимо обменять в процессе взаимодействия, чтобы доказать истинность утверждения, и вводит концепцию нулевых знаний.

Ранние системы zk-SNARKs имели недостатки в эффективности и практичности, в основном оставаясь на теоретическом уровне. Только за последние десять лет, с ростом криптографии в области криптовалют, zk-SNARKs постепенно стали важным направлением исследований. Среди них разработка универсальных, неинтерактивных протоколов zk-SNARKs с ограниченным размером доказательства стала одним из ключевых направлений исследований.

重大突破 в области zk-SNARKs произошел в 2010 году, когда Грот предложил короткие парные неинтерактивные доказательства нулевого знания, которые положили теоретическую основу для zk-SNARKs. В 2015 году нулевые знания впервые были применены в проекте Zcash для защиты конфиденциальности транзакций. С тех пор сочетание zk-SNARKs и смарт-контрактов еще больше расширило область их применения.

В этом процессе некоторые важные научные результаты включают:

• Протокол Пиноккио 2013 года значительно повысил эффективность доказательства и проверки.
• Алгоритм Groth16 2016 года further сокращает объем доказательства и повышает эффективность проверки
• Алгоритм Bulletproofs 2017 года предложил краткие неинтерактивные zk-SNARKs.
• Протокол zk-STARKs 2018 года, новая система нулевых доказательств без доверительной настройки

Кроме того, новые схемы, такие как PLONK и Halo2, также внесли важные улучшения в zk-SNARKs.

Применение zk-SNARKs

zk-SNARKs имеют широкое применение в двух областях: защита конфиденциальности и масштабируемость.

В области защиты конфиденциальности ранние проекты по приватным транзакциям, такие как Zcash и Monero, привлекли широкое внимание. Однако необходимость в приватных транзакциях не оказалась столь же значительной, как ожидалось в отрасли, и соответствующие проекты постепенно отошли на второй план.

В вопросах масштабируемости, с переходом Ethereum 2.0 на стратегию, сосредоточенную на rollup, решение по масштабированию на основе zk-SNARKs снова стало в центре внимания. Основные моменты включают:

• Масштабирование сетевого уровня: например, проект Mina
• Расширение второго уровня сети: т.е. zk-rollup решение

zk-rollup в основном включает две категории ролей: Sequencer отвечает за упаковку транзакций, Aggregator отвечает за объединение транзакций и генерацию zk-SNARKs. Это решение обладает такими преимуществами, как низкие расходы и быстрая финализация, но также сталкивается с такими проблемами, как большой объем вычислений и потенциальные риски безопасности.

В настоящее время основными проектами zk-rollup на рынке являются StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll и другие. Эти проекты в своей технической стратегии в основном выбирают между SNARK( и его улучшенной версией ), а также STARK, а также тем, поддерживают ли они совместимость с EVM.

Совместимость с EVM всегда была в центре внимания отрасли. Ранние проекты часто сталкивались с необходимостью выбирать между эффективностью zk-SNARKs и совместимостью с EVM. В последние годы технологии быстро развиваются, что позволяет достичь хорошей совместимости с EVM, сохраняя при этом эффективность zk-SNARKs, что окажет значительное влияние на экосистему разработки zk-SNARKs и конкурентную среду.

Основной принцип zk-SNARKs

zk-SNARK(零知识简洁非交互式知识论证) является одной из самых широко используемых систем нулевых знаний. Его основная идея заключается в преобразовании сложных вычислительных задач в простые полиномиальные задачи, а затем в использовании криптографических методов для доказательства и проверки.

Процесс реализации zk-SNARKs в основном включает в себя следующие шаги:

1. Преобразование задачи в арифметическую цепь
2. Преобразование схемы в форму R1CS( Rank 1 Constraint System)
3. Преобразовать R1CS в форму QAP(Квадратичная арифметическая программа)
4. Создание доверенной настройки, генерация ключа доказательства и ключа проверки
5. Генерация zk-SNARKs и их проверка

Этот процесс гарантирует как нулевую информативность доказательства, так и его компактность и неинтерактивность, что закладывает основу для широкого применения zk-SNARKs в области блокчейна.