梳理ZK技术史:会是下一个千亿应用的沃土吗?

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(ECC)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(Zero-Knowledge Proof)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。

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 (Secure Multi-party Computation) 问题。

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-Knowledge Proof 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。

1991:非交互式零知识证明

当时间来到 1991 年,Manuel Blum、Alfredo Santis、Silvio Micali 和 Giuseppe Persiano 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(或可预测的)地址,在任何邮件能到达她之前就会搬走。

- 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。

一相逢:SNARK 介入区块链

2010-2014 Zcash: SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) 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(BP)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: Succinct Non-Interactive Arguments

- SNARKs: Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge

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 SCIPR Lab 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 L2 ImmutableX,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 Optimistic Rollup,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。

24小时热点

比特币日线和周线均处于上涨趋势

狂人本着负责,专注,诚恳的态度用心写每一篇分析文章,特点鲜明 ...

15350

IDEX

国家互联网信息办公室正式开始监管区块链

区块链技术作为一种新兴的互联网应用技术,在带来发展机遇的同 ...

45977

Axie Infinity

虚拟化的伴生艺术形式

主流社会不排斥文化和技术的融合尝试,如果人类社会注定走向虚拟 ...

7996

树图链

那些投资比特币的机构都赚了多少钱?

特斯拉、方舟投资、Microstrategy、Ruffer ...

13940

IDEX

FTX 员工自述:我们十分相信 SBF 却因此失去了一切

一个 FTX 员工的自述截图在社区传播,我们确认了它大部分的 ...

2518

区块链的特征包括

全球找更便宜、稳定、可控的电才是挖矿的正确姿势

Primitive Ventures创始合伙人万卉(Dove ...

19571

Glassnode

上海司法机关认可虚拟币价值接下来会发生什么?

区块链网QKLW.COM记者报道:2022年9月14日,《上 ...

3504

IDEX

拆解今年2月以来比特币经历的三个阶段

大变数下,比特币的新趋势与经济周期

17093

IDEX

中国区块链将抢占全球制高点 高校人才培养体系逐步完善

为了跟上国际区块链技术发展的脚步,全国各大高校也加快了区块链 ...

8846

西湖一号

热点专题

以游戏带动引擎发展实现功能迭代与技术演进

游戏引擎作为游戏创作工具与游戏运行的底层控制器,着力于在虚拟 ... 置顶

28464

2022年打假总结:存活近3年 疯狂的“传销币”GEC是怎么苟延残喘至今?

币圈从来不缺乏资金盘或是传销币,但多数都不长久,一夜之间项目 ...

2768898

加密兔

2022年打假总结:Pi Network项目的传销性质Pi币

曾经,号称“走路就能赚钱”拥有大量用户和广泛影响的国内APP ...

2255251

文昌链

国内460种传销币套路和骗子币名单大曝光

全员警惕!!!国内460种传销币套路和骗子币名单大曝光(附全 ...

1660317

Coin Metrics

专门忽悠企业家的中国十大骗子大师

“大师”的伎俩: 最近几年,在网络、机场的书店, ...

1493988

希壤

柴犬币SHIB来了

受狗狗币启发,柴犬币(SHIB)近两天被创造出来。

1203538

Luart

非常硬核的LP流动性挖矿的核算

2021年1月19日20:00MDX正式上线交易挖矿和流动性 ...

1081326

RMRK

什么是去中心化交易所(DEX)?

去中心化交易所是一个基于区块链的交易所,它不将用户资金和个人 ...

1065979

bitFlyer交易所

在Mdex上挖矿教程

Mdex是火币生态链上的去中心化交易所,Mdex挖矿于1月1 ...

762672

大都会资本

“iBox” 数藏平台是违法违规的金融活动

NFT可以看作是元宇宙的其中一种应用,我们可以把数字藏品看成 ...

686351

比推Bitpush

国家区块链相关政策汇总

据零壹智库不完全统计,截至2019年12月,国家层面共计出台 ...

665036

利得链