Розвиток та застосування zk-SNARKs

zk-SNARKs історичний розвиток

Сучасна система zk-SNARKs походить з теорії інтерактивних доказів, запропонованої Голдвассером, Мікалі та Ракоффом у 1985 році. Ця теорія досліджує, скільки знань потрібно обмінятися під час взаємодії, щоб довести правильність твердження, і вводить концепцію zk-SNARKs.

Ранні системи zk-SNARKs мали недоліки в ефективності та практичності, переважно залишаючись на теоретичному рівні. Лише за останні десять років, з розвитком криптографії в сфері криптовалют, zk-SNARKs поступово стали важливим напрямком досліджень. Серед них розробка універсальних, неінтерактивних, протоколів zk-SNARKs з обмеженим масштабом доказів стала одним з ключових напрямків досліджень.

Важливий прорив у сфері нульових доказів стався в 2010 році, коли Грот представив коротку парну неінтерактивну нульову доказову теорію, що заклала теоретичну основу для zk-SNARK. У 2015 році нульові докази вперше були застосовані в проекті Zcash для захисту конфіденційності транзакцій. Після цього поєднання zk-SNARK з розумними контрактами ще більше розширило їхні сфери застосування.

У цьому процесі деякі важливі наукові досягнення включають:

• Протокол Піноккіо 2013 року значно підвищив ефективність доказів та верифікації.
• Алгоритм Groth16 2016 року ще більше спростив розмір доказу та підвищив ефективність верифікації.
• Алгоритм Bulletproofs 2017 року запропонував короткі неінтерактивні zk-SNARKs.
• Протокол zk-STARKs 2018 року, нова система нульових знань без надійного налаштування

Крім того, нові рішення, такі як PLONK, Halo2, також внесли важливі вдосконалення в zk-SNARKs.

zk-SNARKs основні застосування

zk-SNARKs мають широке застосування в обох сферах: захисту конфіденційності та масштабування.

У сфері захисту конфіденційності ранні проекти з конфіденційними транзакціями, такі як Zcash та Monero, викликали широку увагу. Однак необхідність конфіденційних транзакцій не стала такою очевидною, як очікувалося в індустрії, і відповідні проекти поступово відійшли на задній план.

У сфері масштабування, з переходом Ethereum 2.0 на маршрутизацію, орієнтовану на rollup, рішення для масштабування на основі zk-SNARKs знову стає в центрі уваги. Основні з них включають:

• Розширення мережі на першому рівні: наприклад, проект Mina
• Розширення другого рівня мережі: тобто zk-rollup схема

zk-rollup в основному включає дві категорії ролей: Sequencer відповідає за упаковку транзакцій, Aggregator відповідає за об'єднання транзакцій та генерування zk-SNARKs. Ця схема має переваги, такі як низькі витрати та швидка фіналізація, але також стикається з викликами, такими як велике обчислювальне навантаження та потенційні ризики безпеки.

Наразі основні проекти zk-rollup на ринку включають StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll тощо. Ці проекти в технологічному напрямку в основному обирають між SNARK( та його покращеними версіями ) і STARK, а також чи підтримують EVM-сумісність.

Сумісність з EVM завжди була в центрі уваги галузі. Ранні проекти часто вимагали компромісу між ефективністю zk-SNARKs та сумісністю з EVM. За останні кілька років технології швидко еволюціонували, що зробило можливим досягнення гарної сумісності з EVM, забезпечуючи при цьому ефективність zk-SNARKs. Це матиме важливий вплив на екосистему розробки zk-SNARKs та конкурентну ситуацію.

Основні принципи zk-SNARKs

zk-SNARK( zk-SNARKs) є однією з найбільш поширених систем нульових знань. Її основна ідея полягає в перетворенні складних обчислювальних задач на прості поліноміальні задачі, а потім у проведенні доказів і валідації з використанням криптографічних засобів.

Процес реалізації zk-SNARK складається з таких основних етапів:

1. Перетворіть задачу на арифметичну схему
2. Перетворення схеми в R1CS(Rank 1 Constraint System) формат
3. Перетворення R1CS в QAP(Квадратична арифметична програма)форму
4. Створення довірчих налаштувань, генерація ключа доказу та ключа перевірки
5. Генерація zk-SNARKs та їх верифікація

Цей процес не тільки гарантує нульову знаність доказу, але й досягає простоти і неінтерактивності, що закладає основу для широкого застосування zk-SNARKs у сфері блокчейну.