zk-SNARKs: uma visão geral da tecnologia e suas aplicações no Blockchain

Resumo

zk-SNARKs(ZKP) como uma das inovações chave no campo da Blockchain, tem recebido ampla atenção da academia e da indústria nos últimos anos. Este artigo revisita sistematicamente o desenvolvimento da tecnologia ZKP ao longo dos últimos quarenta anos, com foco na análise da tecnologia ZKP baseada em circuitos, incluindo o design e otimização de modelos como zkSNARK e PLONK. No que diz respeito ao ambiente computacional, o artigo apresenta o ZKVM e o ZKEVM, discutindo seu potencial para melhorar a capacidade de processamento de transações e a proteção da privacidade. Além disso, o artigo explora o mecanismo de funcionamento e os métodos de otimização do ZK Rollup como solução de expansão Layer 2, assim como os últimos avanços em aceleração de hardware e soluções híbridas. Por fim, o artigo antecipa conceitos emergentes como ZKCoprocessor, ZKML e ZKThreads, analisando suas perspectivas de aplicação em escalabilidade, interoperabilidade e proteção da privacidade no Blockchain. Através de uma análise abrangente dessas tecnologias e tendências, este artigo fornece uma perspectiva sistemática para entender e aplicar a tecnologia ZKP, demonstrando seu enorme potencial para melhorar a eficiência e segurança dos sistemas de Blockchain.

Um, fundamentos de zk-SNARKs

1. Resumo

zk-SNARKs(ZKP) foi proposto pela primeira vez por Goldwasser et al. em 1985, e é um sistema de prova interativa que permite ao provador demonstrar a veracidade de uma proposição ao verificador, sem revelar qualquer informação adicional. ZKP possui três características fundamentais: completude, confiabilidade e zero conhecimento.

2. Exemplo de zk-SNARKs

A seguir está um exemplo de ZKP que verifica se um provador possui um determinado número secreto, incluindo três fases: configuração, desafio e resposta:

Fase de configuração: o provador escolhe números primos grandes p e q, calcula N = p * q, v = s^2 mod N, e escolhe r aleatoriamente para calcular x = r^2 mod N.

Fase de desafio: o validador escolhe aleatoriamente uma posição a(0 ou 1) como desafio.

Fase de resposta: O provador calcula a resposta g com base no valor de a. O verificador verifica a validade da prova verificando se g^2 mod N é igual a x * v^a mod N.

Através de múltiplas interações, esta solução pode provar que o comprovador possui realmente o número, sem revelar o número secreto s.

Dois, zk-SNARKs não interativos

1. Contexto

As provas de conhecimento zero (ZKP) tradicionais geralmente requerem várias interações, o que não é prático em certos cenários de aplicação. A introdução da prova de conhecimento zero não interativa (NIZK) resolveu esse problema.

2. Proposta de NIZK

Blum e outros propuseram pela primeira vez o conceito de NIZK em 1988, provando que a autenticação pode ser realizada sem múltiplas interações. NIZK é dividido em três fases: configuração, computação e verificação, realizado através de uma string de referência comum (CRS).

3. Fiat-Shamir transformações

A transformação Fiat-Shamir é um método para converter ZKP interativos em não interativos, reduzindo o número de interações através da introdução de funções de hash.

4. Outras pesquisas importantes

Groth e outros propuseram um esquema NIZK baseado no problema do logaritmo discreto e em emparelhamentos bilineares, alcançando perfeição completa e propriedade de zero conhecimento. Kalai e outros apresentaram um método NIZK baseado na "prova de um cidadão comum", aplicável a uma ampla gama de problemas.

Três, Prova de Conhecimento Zero Baseada em Circuito

1. Contexto

O sistema ZKP baseado em circuitos enfatiza o uso de circuitos (, geralmente circuitos aritméticos ou circuitos booleanos ), para expressar e verificar o processo de cálculo.

2. Conceitos e características básicas do modelo de circuito

O modelo de circuito transforma o processo de cálculo em uma série de portas e conexões, incluindo duas grandes categorias: circuitos aritméticos e circuitos lógicos.

3. Design e aplicação de circuitos em zk-SNARKs

O processo de design de circuitos inclui a representação de problemas, otimização de circuitos, conversão para representação polinomial, geração de uma string de referência pública (CRS) e geração e verificação de provas.

4. Defeitos e desafios potenciais

Os principais desafios incluem a complexidade e a escala dos circuitos, a dificuldade de otimização, a adaptabilidade a tarefas de cálculo específicas, a dificuldade de implementação de algoritmos criptográficos e o consumo de recursos, entre outros.

Quatro, zk-SNARKs modelo

1. Modelos de algoritmos comuns

Principalmente inclui zk-SNARKs, modelo Ben-Sasson, modelo Pinocchio, modelo Bulletproofs e modelo Ligero.

2. Proposta baseada em PCP linear e problema do logaritmo discreto

Inclui modelos Groth16, Sonic, PLONK, Marlin, entre outros.

3. Proposta baseada em prova de pessoas comuns

Inclui o modelo Hyrax, o modelo Libra e o modelo Spartan.

4. Provas verificáveis baseadas em probabilidades ( PCP ) de zk-SNARKs

incluindo o modelo STARK, o modelo Aurora, o modelo Succinct Aurora e o modelo Fractal.

Cinco, Visão Geral e Desenvolvimento da Máquina Virtual de zk-SNARKs

1. Classificação do ZKVM existente

Principalmente dividido em ZKVM( do tipo mainstream como RISCZero, PolygonMiden), e ZKVM( equivalente a EVM como o projeto zkEVM) e ZKVM( otimizado para zero conhecimento como Cairo-VM, Valida).

2. Paradigma de Front-end e Back-end

Os sistemas ZKP geralmente são divididos em duas partes: a construção de circuitos na frente ( e a geração e verificação de provas na parte de trás ).

( 3. Vantagens e desvantagens do paradigma ZKVM

As vantagens incluem a utilização de ISA existentes, suporte a múltiplos programas em um único circuito, entre outras; as desvantagens incluem os custos associados à generalidade, operações de alto custo e altos custos de prova.

Seis, Visão Geral e Desenvolvimento da Máquina Virtual Ethereum com Provas de Conhecimento Zero

) 1. Como funciona o ZKEVM

ZKEVM converte o conjunto de instruções EVM para ser executado no sistema ZK, onde cada instrução deve fornecer uma prova, incluindo prova de estado e prova de correção de execução.

2. O processo de implementação do ZKEVM

Inclui etapas como obter dados, processar dados, gerar provas, provas recursivas e submeter provas.

3. Características do ZKEVM

As principais características incluem o aumento da capacidade de processamento de transações, proteção da privacidade e verificação eficiente.

Sete, Visão Geral e Desenvolvimento da Solução de Rede de Camada Dois zk-SNARKs

1. Mecanismo de funcionamento do ZK Rollup

O ZK Rollup reduz o uso de recursos computacionais ao executar transações fora da cadeia e colocar as transações assinadas finais de volta na cadeia.

2. Desvantagens e otimizações do ZK Rollup

Os principais inconvenientes são os altos custos de computação. As soluções de otimização incluem a otimização do cálculo de algoritmos criptográficos, a combinação de Optimistic e ZK Rollup, o desenvolvimento de ZK EVM dedicados e a otimização de hardware, entre outros.

Oitavo, Direções Futuras para zk-SNARKs

1. Aceleração do desenvolvimento do ambiente de computação

Incluindo o desenvolvimento de tecnologias como ZK-ASIC e ZKCoprocessor.

2. A proposta e o desenvolvimento do ZKML

zk-SNARKs Machine Learning ### ZKML ### é um campo emergente que aplica a tecnologia ZKP ao aprendizado de máquina.

( 3. Desenvolvimento relacionado à tecnologia de escalabilidade zk-SNARKs

Inclui a introdução e desenvolvimento de conceitos como ZKThreads e ZK Sharding.

) 4. Desenvolvimento da interoperabilidade de zk-SNARKs

incluindo o desenvolvimento de tecnologias como ZK State Channels e ZK Omnichain Interoperability Protocol.

Nove, Conclusão

Este artigo revisa de forma abrangente a evolução da tecnologia ZKP e suas aplicações no campo do Blockchain, explorando vários aspectos desde a teoria básica até as aplicações práticas. Através da análise das mais recentes tecnologias e tendências de desenvolvimento, o artigo demonstra o enorme potencial do ZKP para melhorar a eficiência e a segurança dos sistemas de Blockchain, oferecendo uma perspectiva sistemática para compreender e aplicar a tecnologia ZKP.