Tinjauan Teknologi zk-SNARKs dan Aplikasinya di Bidang Blockchain

Ringkasan

zk-SNARKs(ZKP) sebagai salah satu inovasi kunci di bidang Blockchain, dalam beberapa tahun terakhir telah mendapat perhatian luas dari kalangan akademis dan industri. Artikel ini secara sistematis meninjau perkembangan teknologi ZKP selama hampir empat puluh tahun, dengan fokus pada analisis teknologi ZKP berbasis sirkuit, termasuk desain dan optimasi model zkSNARK, PLONK, dan lainnya. Dalam aspek lingkungan komputasi, artikel ini memperkenalkan ZKVM dan ZKEVM, serta mengeksplorasi potensi mereka dalam meningkatkan kemampuan pemrosesan transaksi dan perlindungan privasi. Selain itu, artikel ini juga membahas mekanisme kerja dan metode optimasi ZK Rollup sebagai solusi perluasan Layer 2, serta kemajuan terbaru dalam akselerasi perangkat keras dan solusi hibrida. Akhirnya, artikel ini melihat ke depan pada konsep-konsep baru seperti ZKCoprocessor, ZKML, ZKThreads, dan menganalisis prospek aplikasi mereka dalam hal skalabilitas, interoperabilitas, dan perlindungan privasi blockchain. Melalui analisis menyeluruh terhadap teknologi dan tren ini, artikel ini memberikan perspektif sistematis untuk memahami dan menerapkan teknologi ZKP, serta menunjukkan potensi besar dalam meningkatkan efisiensi dan keamanan sistem blockchain.

I. Pengetahuan Dasar zk-SNARKs

1. Ringkasan

zk-SNARKs ( ZKP ) diperkenalkan oleh Goldwasser dkk. pada tahun 1985, adalah sistem pembuktian interaktif yang memungkinkan pembuktian untuk membuktikan kebenaran suatu proposisi kepada pemverifikasi, tanpa mengungkapkan informasi tambahan apapun. ZKP memiliki tiga karakteristik dasar yaitu kelengkapan, keandalan, dan sifat nol-pengetahuan.

2. Contoh zk-SNARKs

Berikut adalah contoh ZKP untuk memverifikasi apakah seorang pembuktian memiliki angka rahasia tertentu, termasuk tiga tahap: pengaturan, tantangan, dan respons:

Tahap pengaturan: Pembuktian memilih bilangan prima besar p dan q, menghitung N = p * q, v = s^2 mod N, dan secara acak memilih r untuk menghitung x = r^2 mod N.

Tahap tantangan: validator secara acak memilih satu bit a(0 atau 1) sebagai tantangan.

Tahap respons: Pembuktian menghitung respons g berdasarkan nilai a. Verifikator memeriksa keabsahan bukti dengan memverifikasi apakah g^2 mod N sama dengan x * v^a mod N.

Melalui interaksi berulang, skema ini dapat membuktikan bahwa pembuktinya benar-benar memiliki angka rahasia s tanpa mengungkapkannya.

Dua, zk-SNARKs

1. Latar Belakang

ZKP tradisional biasanya memerlukan interaksi multi-putaran, yang tidak praktis dalam beberapa skenario aplikasi. Pengenalan Non-Interaktif Zero-Knowledge Proof (NIZK) menyelesaikan masalah ini.

2. Pengenalan NIZK

Blum dan rekan-rekannya pertama kali mengemukakan konsep NIZK pada tahun 1988, membuktikan bahwa otentikasi dapat dilakukan tanpa interaksi berulang. NIZK dibagi menjadi tiga tahap: pengaturan, perhitungan, dan verifikasi, yang dicapai melalui string referensi bersama (CRS).

3. Transformasi Fiat-Shamir

Transformasi Fiat-Shamir adalah metode untuk mengubah ZKP interaktif menjadi non-interaktif dengan memperkenalkan fungsi hash untuk mengurangi jumlah interaksi.

4. Penelitian Penting Lainnya

Groth dan rekan-rekannya mengusulkan skema NIZK yang didasarkan pada masalah logaritma diskrit dan pasangan bilinear, yang mencapai kesempurnaan dan pengetahuan nol yang sempurna. Kalai dan rekan-rekannya mengusulkan metode NIZK yang didasarkan pada "bukti orang biasa", yang cocok untuk berbagai masalah.

Tiga, zk-SNARKs berbasis sirkuit

1. Latar Belakang

Sistem ZKP berbasis sirkuit menekankan penggunaan sirkuit ( yang umumnya berupa sirkuit aritmatika atau sirkuit Boolean ) untuk mengekspresikan dan memverifikasi proses perhitungan.

2. Konsep dan karakteristik dasar model sirkuit

Model rangkaian mengubah proses perhitungan menjadi serangkaian gerbang dan sambungan, termasuk dua kategori besar yaitu rangkaian aritmatika dan rangkaian logika.

3. Desain dan aplikasi sirkuit dalam zk-SNARKs

Proses desain rangkaian mencakup representasi masalah, optimasi rangkaian, konversi ke representasi polinomial, menghasilkan string referensi publik (CRS) serta generasi dan verifikasi bukti.

4. Potensi Kekurangan dan Tantangan

Tantangan utama meliputi kompleksitas dan skala sirkuit, kesulitan dalam optimasi, adaptabilitas untuk tugas perhitungan tertentu, kesulitan implementasi algoritma kriptografi, serta konsumsi sumber daya.

Empat, Model zk-SNARKs

1. Model algoritma umum

Terutama mencakup zk-SNARKs, model Ben-Sasson, model Pinocchio, model Bulletproofs, dan model Ligero.

2. Skema berbasis PCP linier dan masalah logaritma diskrit

termasuk model Groth16, model Sonic, model PLONK, model Marlin, dll.

3. Rencana berbasis bukti orang biasa

termasuk model Hyrax, model Libra, dan model Spartan.

4. Bukti yang dapat diverifikasi secara probabilistik ( PCP ) zk-SNARKs

termasuk model STARK, model Aurora, model Succinct Aurora, dan model Fractal.

Lima, Gambaran Umum dan Perkembangan zk-SNARKs Virtual Machine

1. Klasifikasi ZKVM yang ada

Terutama dibagi menjadi ZKVM utama seperti RISCZero, PolygonMiden(, dan ZKVM setara EVM seperti proyek zkEVM) dan ZKVM yang dioptimalkan untuk zero-knowledge seperti Cairo-VM, Valida(.

) 2. Paradigma Frontend dan Backend

Sistem ZKP biasanya dibagi menjadi dua bagian: konstruksi sirkuit di front-end ( dan generasi serta verifikasi bukti di back-end ).

3. Kelebihan dan Kekurangan dari ZKVM

Keuntungan termasuk pemanfaatan ISA yang ada, dukungan satu sirkuit untuk banyak program, dll; kerugian termasuk biaya yang terkait dengan universalitas, biaya operasi yang tinggi, dan biaya pembuktian yang tinggi.

Enam, Gambaran dan Perkembangan zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine

( 1. Cara kerja ZKEVM

ZKEVM mengubah set instruksi EVM untuk dieksekusi dalam sistem ZK, setiap instruksi harus menyediakan bukti, termasuk bukti status dan bukti kebenaran eksekusi.

) 2. Proses implementasi ZKEVM

Termasuk langkah-langkah seperti mendapatkan data, memproses data, menghasilkan bukti, membuktikan secara rekursif, dan mengajukan bukti.

( 3. Karakteristik ZKEVM

Fitur utama termasuk peningkatan kemampuan pemrosesan transaksi, perlindungan privasi, dan verifikasi yang efisien.

Tujuh, Ringkasan dan Pengembangan Solusi Jaringan Layer Dua zk-SNARKs

) 1. Mekanisme kerja ZK Rollup

ZK Rollup mengurangi penggunaan sumber daya komputasi dengan menjalankan transaksi di luar rantai dan mengembalikan transaksi yang telah ditandatangani akhir ke dalam rantai.

2. Kekurangan dan Optimasi ZK Rollup

Kekurangan utama adalah biaya komputasi yang tinggi. Solusi optimasi meliputi mengoptimalkan perhitungan algoritma kriptografi, menggabungkan Optimistic dan ZK Rollup, mengembangkan ZK EVM khusus, serta optimasi perangkat keras.

Delapan, Arah Perkembangan Masa Depan zk-SNARKs

1. Mempercepat pengembangan lingkungan komputasi

Termasuk pengembangan teknologi seperti ZK-ASIC dan ZKCoprocessor.

2. Usulan dan pengembangan ZKML

zk-SNARKs Mesin Pembelajaran ### ZKML ### adalah bidang yang baru muncul yang menerapkan teknologi ZKP pada pembelajaran mesin.

3. Perkembangan teknologi perluasan ZKP

Termasuk pengajuan dan pengembangan konsep seperti ZKThreads dan ZK Sharding.

4. Perkembangan interoperabilitas zk-SNARKs

Termasuk pengembangan teknologi seperti ZK State Channels dan ZK Omnichain Interoperability Protocol.

Sembilan, Kesimpulan

Artikel ini secara komprehensif meninjau perkembangan teknologi ZKP dan aplikasinya di bidang Blockchain, serta membahas berbagai aspek dari teori dasar hingga aplikasi praktis. Melalui analisis teknologi terbaru dan tren perkembangan, artikel ini menunjukkan potensi besar ZKP dalam meningkatkan efisiensi dan keamanan sistem Blockchain, serta memberikan perspektif sistematis untuk memahami dan menerapkan teknologi ZKP.