STAR:零知識證明的技術路徑之爭：zk-SNARK和zk-STARK誰更優？_STARK

作者:Chloe

Crypto行業被廣泛關注的零知識證明（Zero—Knowledge Proof）技術，并非是這幾年剛冒出來的新技術，而是在1980年就被數學家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。

零知識證明涉及一系列步驟，可以實現密碼學中的「可用而不可知」。

而區塊鏈有著公開透明、不可篡改等特征，意味著加密投資者的鏈上資產及交易記錄是沒有隱私可言的，于是零知識證明技術被引入了區塊鏈，當中以zk-SNARK和zk-STARK最為關注。

zk-SNARK被項目方采用得最多，zk-STARK則被密碼學專家認為優于ZK-SNARK。那么綜合技術與實際應用，二者誰更優？

zk-SNARK：簡潔 + 非交互性

Alessandro Chiesa等人在2012年開發了zk-SNARK協議，這是一種簡潔化、非交互式的零知識證明技術，全稱是zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge，可以拆解成三部分來理解：

數據：過去一周零知識區塊鏈上的交易量和投資者存款激增:5月24日消息，DeFi用戶正涌向使用“零知識證明”的基于以太坊的區塊鏈，DefiLlama數據顯示，zkSync Era、Starknet和Polygon zkEVM的活動在過去一周大幅飆升，這些鏈上去中心化交易所交易量過去一周分別增長了88%、48%和230%，總鎖定價值(Total Value Locked，簡稱TVL) 過去一周增長分別增長了13%、16%和219%。[2023/5/24 15:22:47]

zero-knowledge：

零知識證明，在不暴露隱私情況下向對方證明一件事情，讓數據「可用而不可知」。

succinct：

簡潔性，要證明的東西占用的空間很小，而且可以快速驗證（幾毫秒）。

non-interactive：

零知識證明Layer 2 CryptoGPT完成1000萬美元融資:金色財經報道，零知識證明 Layer 2 CryptoGPT 以 2.5 億美元估值融資 1000 萬美元，DWF Labs 領投。新資金將用于在全球范圍內發展其開發團隊，并在亞洲市場建立區域影響力。[2023/4/11 13:55:25]

非交互性，意味著證明者和驗證者之間不需要有交集即可快速地得到驗證結果。

zk-SNARK的簡潔性和非交互性，是相對于傳統的零知識證明方案而言的。

簡單來說，傳統方案是交互式證明，即示證者（宣稱某一命題為真）和驗證者（確認該命題確實為真）之間反復確認，你可以理解為示證者不斷向驗證者詢問“是或不是？”，然后驗證者不斷給出回答，直到最后碰出一個正確答案來，所以效率很低。

zk-SNARK的解決方案則不需要雙方反復確認“是或不是”，而是提前先搞一個「可信初始化」，從而生成公共參考字符串（CRS），然后所有的示證者都可以直接訪問它。

零知識證明初創公司RISC Zero完成1200萬美元種子輪融資:8月9日消息，零知識證明初創公司 RISC Zero 宣布完成 1200 萬美元種子輪融資，Bain Capital Crypto 領投，Geometry 、D1 Ventures 和 Cota Capital 等參投。本輪所融資金將用于構建對開發人員友好的可擴展區塊鏈。今年 3 月，RISC Zero 推出了零知識證明虛擬機，該虛擬機使開發人員能夠構建零知識證明，并使用各種編程語言在任何計算機上執行。（The Block）[2022/8/9 12:13:26]

打一個通俗的比方。交互式證明相當于老師要批改每一個考生的每一道考題，效率很低，但正確答案只掌握在老師這邊，基本不存在有人偷答案的情況。

但zk-SNARK直接上傳了正確答案，然后讓考生自己對答案（把自己解的某道題發送給后臺系統，就會直接得到正確與否的最終結果），非常高效，代價是答案有可能被泄露，雖然這個答案系統是經過加密的。

Polygon聯合創始人：承諾為零知識技術投資10億美元:12月25日消息，Polygon聯合創始人Sandeep Nailwal在接受采訪時表示，根據PolygonScan瀏覽器，Polygon平均出塊時間約為2.3秒，以太坊平均出塊時間則是15秒。然后Gas費大概是0.001 MATIC。

關于投資零知識技術的目標，Nailwal回答稱，“我們承諾為零知識技術投資10億美元，我們認為這是區塊鏈擴展的圣杯。隱私是第二個因素——這是每個人都會感到困惑的一個因素。因此，您可以使用ZK在以太坊上驗證計算，而無需發回全部數據。相反，您只需證明在第二層上所有計算都是正確的，并將一個簡潔的證明放回到以太坊。”

Nailwal還表示，“即使ETH 2.0升級已經實現，也不會提供足夠的可擴展性。明年，PoS升級將保持一切不變；就像以太坊現在每秒有13筆交易（TPS），在PoS之后也許會達到20 TPS，但不會超過這個數字。所以這不會增加任何可擴展性。假設在三到五年內，即使實現分片，我們預測會有64個分片，每個分片每秒處理20筆交易，但總的來說還是每秒1280筆交易，對嗎？這對整個世界來說還是不夠的。”（Cointelegraph）[2021/12/25 8:03:07]

因此針對zk-SNARK容易被泄露的問題，有很多圍繞著提高「答案系統」安全性的解決方案，不同采用zk-SNARK的項目方的方案各有不同。如zCloak錢包是直接把算法以純文本的形式發給用戶，用戶下載到本地去做計算（所以即使斷網也依舊能完成工作）。

Gate.io研究院發布“零知識證明于區塊鏈中的落地應用”報告:Gate.io研究院于今日發布“零知識證明于區塊鏈中的落地應用”報告。報告指出，在區塊鏈技術加快發展的背景下，多種應用場景應運而生，隨之而來的是用戶在隱私安全方面的更高需求。當前，眾多區塊鏈開發團隊提出了多種不同的用戶隱私安全保護機制。

其中，零知識證明與區塊鏈技術相結合作為一種新方案為提高區塊鏈隱私安全性提供了更多可能。該報告結合“零知識證明”的采納項目、區塊鏈系統“Zcash”的相關情況，對“Zcash”加密技術以及零知識證明進行了深入探討。 詳情點擊原文鏈接。[2020/6/28]

zk-STARK：概率證明+緩沖時間

zk-STARK是成立于2017年12月的StarkWare團隊開發的，它是針對zk-SNARK的替代解決方案。研發歷時一年多，經過無數次迭代才徹底搞定，已經到2019年了。

zk-SNARK是提前生成公共參考字符串，用非交互式證明的方式提高了證明效率，但也留下了隱患。zk-STARK雖然是交互式證明，但它是一種巧妙的交互式證明——通過哈希函數碰撞（一種概率證明的方式）來保證安全性，因此也實現了高效證明。

這個思路直接借鑒自2015年推出的交互式預言機證明（IOP）技術，簡單來說是先把問題用密碼學的方式打碎，然后驗證者隨機向示證者提出幾個的問題，如果幾輪下來，示證者都給出準確的回答，那么驗證就通過了。

所以zk-STARK同樣也只需要極少的計算資源就可以完成證明，但是它更安全，不存在答案泄露的風險。并且為了進一步確保安全性，還設置了爭議時間延遲（DTD）來作為緩沖。

  zk-SNARK和zk-STARK的區別

1.透明度

zk-SNARK的公共參考字符串通常由一個小團體來保管，因此有泄露的可能性，從而被惡意利用，如創建虛假證明。

zk-STARK則直接利用生成隨機性的參數來驗證，不需要任何第三方的「答案系統」，因此透明度大幅提高。

2.抗量子計算機攻擊

zk-SNARK未來會輕易被量子計算機暴力破解（通過分解計算從公鑰中提取私鑰）。當然，量子計算何時到來還是個問題。

zk-STARK采用的是哈希函數碰撞的方法來證明，理論上量子計算機的暴力破解是無效的。

3.可擴展性

zk-SNARK的證明在鏈上更具可擴展性（生成的證明的字節數更小），zk-STARK在純鏈上似乎沒有優勢。

StarkWare官網宣稱是最快的，可能是因為zk-STARK允許鏈下進行大規模計算和存儲，然后在鏈上完成驗證，因此可擴展性顯著提升（甚至可以提高10倍），而成本顯著降低。

總結

zk-SNARK技術被采用得最多，尤其是在以太坊擴容場景中。zk-SNARK主要是圍繞「隱私保護」去做身份、支付、DeFi、資產證明等各種應用。

zk-STARK雖然也在發展之中，但技術尚不成熟，至少在通用性上受限，所以我們看到大多是圍繞著「可擴展性」去做各種應用。

不過據StarkWare團隊在2022年的說法，已經解決了可擴展性，該把目標瞄準「隱私保護」了，而方式是通過StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分層的方式解決，這似乎與zk-STARK證明系統本身沒有直接關系。

至少就目前而言，大多數以太坊Layer2項目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都采用的是zk-SNARK技術路線，除了通用性上受限，還有一個原因是普遍反饋說zk-STARK的開發難度過大……

當然長遠來看，zk-STARK可承載的運算量更大，可能更有前景。

總的來說，zk-SNARK和zk-STARK的關系，?有些像Optimistic rollups和ZK rollups的關系，前者短期利好，后者長期利好。

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