ASH:HashKey Capital深度解讀ZK（一）：歷史原理與行業_ARK

當前區塊鏈行業里零知識證明項目增速驚人，特別是ZKP在擴容和隱私保護兩個層面應用的崛起，令我們接觸到了各種花樣繁多的零知識證明項目。由于ZKP極富數學性的特質，對于加密愛好者來說，想要深度了解ZK的難度大幅提升。因此我們也希望從頭梳理ZKP理論和應用層面的一些變化，與讀者一起探索對于crypto行業的影響和價值——通過幾篇報告的形式共同學習，也作為HashKeyCapital研究團隊的思考總結。本篇是該系列的第一篇，主要介紹ZKP的發展歷史、應用和一些基本原理。一、零知識證明的歷史

現代零知識證明體系最早來源于Goldwasser、Micali和Rackoff合作發表的論文：TheKnowledgeComplexityofInteractiveProofSystems，該論文提出于1985年，發表于1989年。這篇論文主要闡釋的是在一個交互系統中，經過K輪交互，需要多少知識被交換，從而證明一個證言是正確的。如果可以讓交換的知識為零，則被稱之為零知識證明。這里面會假設證明者具有無限資源，而驗證者只具有有限資源。而交互式系統的問題在于證明不完全是數學上可證的，而是概率意義上正確的，雖然概率很小(1/2^n)。所以交互式系統并不完美，只有近似完備性，以此為基礎誕生的非交互式系統系統則具有完備性，成為零知識證明系統的完美所選。早年的零知識證明系統在效率以及可用性方面都有所欠缺，所以一直都停留在理論層面，直到最近10年才開始蓬勃發展，伴隨著密碼學在crypto成為顯學，零知識證明走向臺前，成為至關重要的一個方向。特別是發展出一個通用的、非交互的、證明大小有限的零知識證明協議，是其中最關鍵的探索方向之一。基本上零知識證明就是要在證明的速度、驗證的速度和證明體積的大小之間做取舍，理想的協議是證明快、驗證快、證明體積小。零知識證明最重要的突破是Groth在2010年的論文ShortPairing-basedNon-interactiveZero-KnowledgeArguments，也是ZKP里面最重要的一組zk-SNARK的理論先驅。零知識證明在應用上最重要的進展就是2015年Z-cash使用的零知識證明系統，實現了對交易及金額隱私的保護，后來發展到zk-SNARK和智能合約相結合，zk-SNARK進入了更為廣泛的應用場景。在此期間，一些重要的學術成果包括：2013年的Pinocchio(PGHR13)：Pinocchio:NearlyPracticalVerifiableComputation，將證明和驗證時間壓縮到適用范圍，也是Zcash使用的基礎協議。2016年的Groth16：OntheSizeofPairing-basedNon-interactiveArguments，精簡了證明的大小，并提升了驗證效率，是目前應用最多的ZK基礎算法。2017年的Bulletproofs(BBBPWM17)Bulletproofs:ShortProofsforConfidentialTransactionsandMore，提出了Bulletproof算法，非常短的非交互式零知識證明，不需要可信的設置，6個月以后應用于Monero，是非常快的理論到應用的結合。2018年的zk-STARKs(BBHR18)Scalable,transparent,andpost-quantumsecurecomputationalintegrity，提出了不需要可信設置的ZK-STARK算法協議，這也是目前ZK發展另一個讓人矚目的方向，也以此為基礎誕生了StarkWare這個最重量級的ZK項目。其他的發展包括PLONK、Halo2等也是極為重要的進展，也對zk-SNARK做出了某些層面上的改進。二、零知識證明的應用簡述

HashCash提出通過基于區塊鏈的制藥系統打擊藥物欺詐:12月29日消息，國際區塊鏈開發公司HashCash Consultants提出區塊鏈藥理學系統的構想，以打擊藥物欺詐。在HashCash設計的制藥系統中，藥物可以表示為輸入跟蹤系統的加密通證。由于區塊鏈具有時間戳、防篡改和可驗證性，一旦藥物供應鏈流程由受藥物真實性證明（Proof of Drug Authenticity）協議管轄的私有/聯盟區塊鏈平臺適當處理，就可以輕松檢測到藥物欺詐。（PRWeb）[2021/12/29 8:12:18]

零知識證明最廣泛的兩個應用就是隱私保護和擴容。早期隨著隱私交易和幾個有名的項目Zcash和Monero等推出，隱私交易一度成為非常重要的門類，但由于隱私交易的必要性并沒有業界希望的那樣突出，因此這一類代表性項目開始慢慢進入二三線的陣營。而應用層面，擴容的必要性提升到無以復加，隨著以太坊2.0在2020年轉變為以rollup為中心的路線，ZK系列正式又回歸業界的視線，成為焦點。隱私交易：隱私交易有很多已經實現的項目，包括使用SNARK的Zcash，Tornado,使用bulletproof的Monero,以及Dash。Dash嚴格意義上用的不是ZKP，而是一種簡單粗暴的混幣系統，只可以隱藏地址而不能隱藏金額，在此略過不表。Zcash應用的zk-SNARKs交易步驟如下：

Hashed投資數字時尚元宇宙開發商Brism:10月28日消息，韓國加密投資機構Hashed宣布已投資30億韓元（約260萬美元）參與Brism A輪融資，旨在開發三維（3D）數字時尚元宇宙平臺。本輪由 Hashed 獨家投資進行。Brism 計劃將本次募集的資金用于招聘服務開發、內容制作等各個領域的骨干人才。據悉，Brism是一家初創公司，為Nike和Pillar等品牌提供了各種擴展現實XR技術。Brism準備從今年開始進入NFT領域。（fnnews）[2021/10/28 6:17:36]

Source:DemystifyingtheRoleofzk-SNARKsinZcashSystemsetup階段生成證明秘鑰和驗證秘鑰，借助KeyGenfunctionCPA階段ECIES加密方法用來生成公鑰和私鑰MintingCoins階段，生成新幣的數量。公共地址和幣的commitmentPouring階段，生成zk-SNARK證明，證明被加到了pour交易賬本中Verification階段，驗證者驗證Mint和Pour的交易量是否正確Receiving階段，receiver接收幣。如果想使用收到的幣，則繼續調用Pouring，形成zk-SNARK驗證，重復上述4-6的步驟，完成交易。Zcash使用零知識還是有局限性的，就是其基于UTXO,所以部分交易信息只是被shield了，而不是真正的掩蓋。因為其基于比特幣的設計的單獨網絡，所以難以擴展。真正使用shielding的使用率只有不到10%，說明隱私交易并沒有很成功的擴展。Tornado使用的單一大混幣池更加通用，而且基于以太坊這樣“久經考驗”的網絡。Torndao本質上就是一個用了zk-SNARK的混幣池，可信設置基于Groth16的論文。TornadoCash可以提供的特性包括：只有被存進去的coin可以被提取沒有幣可以被提取兩次證明過程和幣的廢止通知是綁定的，相同證明但不同Nullifier的哈希不會允許提幣安全性有126-bit的安全，不會因為composition而降級Vitalik提到過，和擴容相比，隱私相對比較容易實現，如果一些擴容的protocol都可以成立的話，隱私基本上不會成為問題。擴容：ZK的擴容可以在一層網絡上做，如Mina，也可以在二層網絡上做，即zk-rollup.ZKrollup的思路可能最早來自于Vitalik于2018的post，On-chainscalingtopotentially~500tx/secthroughmasstxvalidation。ZK-rollup有兩類角色，一類是Sequencer,還有一個是Aggregator。Sequencer負責打包交易，Aggregator負責將大量的交易合并并創造一個rollup,并形成一個SNARK證明，這個證明會和Layer1以前的狀態進行比較，進而更新以太坊的Merkle樹，計算新的狀態樹。

Hashed推出2億美元新基金 計劃投資于Web3項目:12月1日消息，韓國區塊鏈公司Hashed宣布新基金Hashed Venture Fund II從未公開投資者處籌集2億美元，計劃投資于Web3項目。Hashed指出，機構投資者對Web3的興趣越來越大，他們希望隨著該行業逐漸成為主流相關性，盡早投資該技術。該公司沒有披露新基金的投資者，這可能是由于法律要求。然而，Hashed指出，這2億美元的投資基金來自一些韓國頂級IT公司、多學科企業集團和全球知名投資公司，他們作為有限合伙人加入了該計劃。（Crypto Potato）[2021/12/1 12:44:35]

Source:PolygonZKrollup的優缺點：優點：費用低，不像OP會被經濟攻擊，不需要延遲交易，可以保護隱私，快速達成最終性缺點：形成ZK證明需要大計算量，安全問題，不抗量子攻擊，交易順序可能被改變

Source:以太坊research根據數據可用性以及證明的方法，Starkware對L2有一張經典的分類圖：

現場丨HashQuark 高級研究員Tom：主網運行的客戶端過于單一有技術性的風險:金色財經現場報道，11月20日，由金色財經主辦，Blocklike，鯨交所，四塊科技，DSFS-LABS協辦的金色沙龍第57期在杭州舉辦，在圓桌環節，HashQuark 高級研究員Tom表示，以太坊2.0的升級，這一條路很長，現在還是在探索階段。以太坊2.0網絡主網上線最大的風險就是客戶端缺乏多樣性風險和phase1.5階段合并的社區分裂風險。由于客戶端的缺乏多樣性，一個客戶端出現bug將會給主網不能敲定，1.0和2.0的合并也有許多社區利益共識要考慮。[2020/11/20 21:30:21]

Source:Starkware目前市場上最有競爭力的ZKrollup項目有：Starkware的StarkNet，Matterlabs的zkSync和Aztec的Aztecconnect，Polygon的Hermez和Miden，Loopring，Scroll等基本上技術路線就在于SNARK(及其改進版本)和STARK的選擇，以及對EVM的支持。Aztec開發了通用化的SNARK協議-Plonk協議，運行中的Aztec3可能會支持EVM，但是隱私優先于EVM兼容Starnet用的是zk-STARK，一種不需要可信設置的zkp，但是目前不支持EVM，有自己的編譯器和開發語言zkSync也是用的plonk，支持EVM。zkSync2.0是EVM兼容的，有自己的zkEVMScroll，一種EVM兼容的ZKrollup,團隊也是以太坊基金會zkEVM項目的重要貢獻者簡要討論下EVM兼容性問題：ZK系統和EVM的兼容一直令人頭疼，一般項目會在兩者間取舍。強調ZK的可能會在自己的系統里做一個虛擬機，并有自己的ZK語言以及編譯器，但會加重開發者的學習難度，而且因為基本上不開源，會變成一個黑箱子。一般業界目前是兩種選擇，一是和Solidity的操作碼完全兼容，另一種是設計一種新的虛擬機同時ZK友好并兼容Solidity。業界一開始也沒有想到可以這么快的融合，但是近一兩年技術的快速迭代，讓EVM的兼容提升到一個新高度，開發者可以做到一定程度的無縫遷移，是振奮人心的進展，這將影響ZK的開發生態和競爭格局。我們會在之后的報告中仔細討論這個問題。三、ZKSNARK實現的基本原理

數據：比特幣哈希率本月回撤40％，跌破100 EHash/s:歷史上看，比特幣算力一直在上升，然而，最近的全球危機導致比特幣價格大幅下跌，也導致算力下降。Skew數據顯示，比特幣算力本月下降了約40%，自2020年1月以來首次低于100_EHash/s。通常情況下，減半前的幾個月應該會算力上漲，然而，由于特殊宏觀經濟因素，這種情況并沒有發生。盡管40%的降幅很大，但算力仍然處于與一兩個月前相同的水平（即算力依然較高）。因此，沒有理由恐慌或認為比特幣網絡正在衰退。（BeInCrypto）[2020/3/18]

Goldwasser、Micali和Rackoff提出了零知識證明有三個性質：完整性：每一個擁有合理見證的聲明，都是可以被驗證者驗證的可靠性：每一個只擁有不合理見證的聲明，都不應該被驗證者驗證零知識：驗證過程是零知識的所以為了了解ZKP,我們從zk-SNARK開始，因為很多目前的區塊鏈應用都是從SNARK開始。首先，我們先了解一下zk-SNARK。zk-SNARK的意思是：零知識證明是zero-knowledgeSuccintNon-interactiveARgumentsofKnowledge。ZeroKnowledge：證明過程零知識，不會暴露多余信息Succinct：驗證體積小Non-interactive：非交互過程ARguments：計算具備可靠性，即有限計算能力的證明者不能偽造證明，無限計算能力的證明者可以偽造證明ofKnowledge：證明者無法在不知道有效信息的情況下構建出一個參數和證明對于證明者來說，在不知道證據的情況下，構造出一組參數和證明是不可能的。”Groth16的zk-SNARK的證明原理和如下：

Source：https://learnblockchain.cn/article/3220步驟是：1.將問題轉換為電路2.將電路拍平成R1CS的形式.3.R1CS轉換成QAP形式4.建立trustedsetup,生成隨機參數，包括PK(provingkey)，VK(verifyingkey)5.zk-SNARK的證明生成和驗證下一篇我們將開始研究zk-SNARK的原理、應用，通過幾個案例來透視ZK-SNARK的發展，并探索它與zk-STARK的關系等。Reference：https://ethresear.ch/t/on-chain-scaling-to-potentially-500-tx-sec-through-mass-tx-validation/3477https://blog.polygon.technology/zkverse-why-zero-knowledge-rollups-need-a-new-consensus-mechanism/https://blog.decentriq.com/zk-snarks-primer-part-one/https://vitalik.ca/general/2021/01/26/snarks.htmlhttps://z.cash/technology/zksnarks/

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