Sự phát triển và ứng dụng của zk-SNARK

Lịch sử phát triển của zk-SNARK

Hệ thống chứng minh không biết hiện đại xuất phát từ lý thuyết hệ thống chứng minh tương tác do Goldwasser, Micali và Rackoff đề xuất vào năm 1985. Lý thuyết này khám phá việc cần phải trao đổi bao nhiêu kiến thức trong quá trình tương tác để chứng minh tính đúng đắn của một tuyên bố, và đưa ra khái niệm chứng minh không biết.

Các hệ thống zk-SNARK trong giai đoạn đầu còn thiếu hiệu quả và tính thiết thực, chủ yếu dừng lại ở mức lý thuyết. Đến gần đây, với sự phát triển của mật mã trong lĩnh vực tiền mã hóa trong suốt mười năm qua, zk-SNARK mới dần trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng. Trong đó, phát triển các giao thức zk-SNARK chung, không tương tác và có quy mô chứng minh hạn chế đã trở thành một trong những hướng khám phá quan trọng.

Những bước đột phá lớn của zk-SNARK xuất hiện vào năm 2010, khi Groth đề xuất chứng minh không tương tác ngắn với cặp. Vào năm 2015, zk-SNARK lần đầu tiên được áp dụng trong dự án Zcash, nhằm bảo vệ quyền riêng tư của giao dịch. Kể từ đó, sự kết hợp giữa zk-SNARK và hợp đồng thông minh đã mở rộng thêm các tình huống ứng dụng của nó.

Trong quá trình này, một số thành tựu học thuật quan trọng bao gồm:

• Giao thức Pinocchio năm 2013, đã nâng cao đáng kể hiệu quả chứng minh và xác minh.
• Thuật toán Groth16 năm 2016, đã tinh giản quy mô chứng minh và nâng cao hiệu suất xác minh.
• Thuật toán Bulletproofs năm 2017, đã đề xuất bằng chứng không tương tác ngắn gọn zk-SNARK.
• Giao thức zk-STARKs năm 2018, hệ thống chứng minh không kiến thức mới không cần thiết lập đáng tin cậy.

Ngoài ra, các giải pháp mới nổi như PLONK, Halo2 cũng đã có những cải tiến quan trọng đối với zk-SNARK.

Ứng dụng chính của zk-SNARK

zk-SNARK trong việc bảo vệ quyền riêng tư và mở rộng có ứng dụng rộng rãi.

Trong lĩnh vực bảo vệ quyền riêng tư, các dự án giao dịch riêng tư như Zcash và Monero đã thu hút sự chú ý rộng rãi từ sớm. Tuy nhiên, sự cần thiết của giao dịch riêng tư không nổi bật như kỳ vọng của ngành, các dự án liên quan dần lui về phía sau.

Trong việc mở rộng, với việc Ethereum 2.0 chuyển sang lộ trình tập trung vào rollup, các giải pháp mở rộng dựa trên zk-SNARK lại trở thành tâm điểm. Chủ yếu bao gồm:

• Mở rộng mạng lớp 1: như dự án Mina
• Mở rộng mạng lớp hai: tức là giải pháp zk-rollup

zk-rollup chủ yếu liên quan đến hai loại vai trò: Sequencer chịu trách nhiệm đóng gói giao dịch, Aggregator chịu trách nhiệm hợp nhất giao dịch và tạo ra zk-SNARK. Giải pháp này có những lợi thế như chi phí thấp, tính cuối cùng nhanh chóng, nhưng cũng phải đối mặt với khối lượng tính toán lớn, rủi ro an ninh tiềm ẩn và các thách thức khác.

Hiện tại, các dự án zk-rollup chính trên thị trường bao gồm StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll, v.v. Những dự án này chủ yếu lựa chọn giữa SNARK( và phiên bản cải tiến của nó ) cũng như STARK, và liệu có hỗ trợ EVM tương thích hay không.

Tính tương thích EVM luôn là tâm điểm chú ý của ngành. Các dự án đầu tiên thường phải đánh đổi giữa hiệu suất của zk-SNARK và tính tương thích EVM. Trong những năm gần đây, công nghệ phát triển nhanh chóng, giúp việc đạt được tính tương thích EVM tốt trong khi đảm bảo hiệu suất của zk-SNARK trở nên khả thi, điều này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến hệ sinh thái phát triển và cấu trúc cạnh tranh của zk-SNARK.

Nguyên lý cơ bản của zk-SNARK

zk-SNARK( zk-SNARK) là một trong những hệ thống chứng minh không kiến thức được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ý tưởng cốt lõi của nó là biến các vấn đề tính toán phức tạp thành các vấn đề đa thức đơn giản, sau đó chứng minh và xác thực thông qua các phương pháp mật mã.

Quá trình thực hiện zk-SNARK chủ yếu bao gồm các bước sau:

1. Chuyển đổi vấn đề thành mạch điện toán
2. Chuyển đổi mạch thành dạng Hệ thống ràng buộc hạng 1 R1CS()
3. Chuyển đổi R1CS thành hình thức QAP(Chương trình số học bậc hai)
4. Thiết lập cấu hình đáng tin cậy, tạo khóa chứng minh và khóa xác minh
5. Tạo zk-SNARK và thực hiện xác minh

Quá trình này vừa đảm bảo tính chất không biết của chứng minh, vừa đạt được sự ngắn gọn và không tương tác, đặt nền tảng cho việc ứng dụng rộng rãi của zk-SNARK trong lĩnh vực blockchain.