zk-SNARKs: розвиток від теорії до застосування

І. Історичний контекст zk-SNARKs

Сучасна теоретична основа системи нульових знань походить з важливої статті, запропонованої в 1985 році та опублікованої в 1989 році. У цій статті розглядається обсяг знань, який необхідно обмінювати для підтвердження істинності заяви, шляхом багаторазової взаємодії в інтерактивних системах доказів. Якщо доказ може бути завершено без розкриття будь-якої додаткової інформації, це називається нульовими знаннями.

Ранні системи zk-SNARKs мали недоліки в ефективності та практичності, в основному залишаючись на теоретичному рівні. Протягом останнього десятиліття, з розвитком криптографії в області криптовалют, zk-SNARKs поступово стали важливим напрямком досліджень. Серед них, розробка загальних, неінтерактивних та обмежених за обсягом доказів протоколів zk-SNARKs є ключовою метою.

Значний прорив у нульових знаннях був досягнутий завдяки статті Грота, опублікованій у 2010 році, яка заклала теоретичну основу для zk-SNARKs. У 2015 році Zcash застосував нульові знання для захисту приватності транзакцій, відкривши більш широкі сфери застосування.

Після цього з'явилась низка важливих наукових досягнень:

• Протокол Піночетто 2013 року стиснув час доказування та верифікації
• У 2016 році схема Groth16 зменшила розмір доказів і підвищила ефективність перевірки
• Алгоритм Bulletproofs, представлений у 2017 році, реалізує короткі неінтерактивні zk-SNARKs.
• Протокол zk-STARKs, представлений у 2018 році, не потребує довіреного налаштування

Інші важливі досягнення включають PLONK, Halo2 та інші, які зробили подальші поліпшення до zk-SNARKs.

Два, типові застосування zk-SNARKs

Найбільш поширеними двома сферами застосування zk-SNARKs є захист конфіденційності та масштабування.

У сфері захисту конфіденційності раніше з'явилися такі представницькі проекти, як Zcash, Monero. Але через те, що попит на конфіденційні транзакції не виправдав очікувань, ці проекти поступово відійшли на другий план.

У контексті масштабування, зі зміною напрямку Ethereum на основі rollup, рішення для масштабування на базі zk-SNARKs знову стало в центрі уваги.

приватні транзакції

Представницькі проекти приватних транзакцій включають:

• Zcash: використовує zk-SNARKs
• Monero: використання Bulletproofs
• Tornado Cash: обмінник на основі Ethereum, що використовує zk-SNARKs

Процес транзакцій Zcash включає в себе налаштування системи, генерацію ключів, випуск монет, транзакції, верифікацію та отримання. Але Zcash все ще має деякі обмеження, такі як модель UTXO, складність у масштабуванні застосувань тощо.

Tornado Cash використовує дизайн єдиного великого пулу змішування монет, базуючись на мережі Ethereum, що забезпечує кращу універсальність.

розширення

zk-SNARKs можуть бути використані для розширення мережі першого рівня (, як Mina ), а також для розширення другого рівня (, тобто zk-rollup ). Основна ідея zk-rollup полягає в агрегації великої кількості транзакцій та генерації zk-SNARKs, а потім верифікації оновленого стану на основному ланцюзі.

Переваги zk-rollup включають низькі витрати, швидку фіналізацію, захист конфіденційності тощо, але також стикаються з викликами, такими як велике навантаження на обчислення та безпека.

Наразі основні проекти zk-rollup включають:

• StarkNet(Starkware)
• zkSync(Matter Labs)
• Ацтекський коннект
• Полігон Хермез і Міден
• Петля
• Прокрутка

Ці проекти в технічному плані в основному поділяються на два табори: SNARK та STARK, а також на те, чи підтримують EVM-сумісність. EVM-сумісність є важливим технічним викликом і конкурентним акцентом.

Три, основні принципи zk-SNARKs

zk-SNARKs є одним з найпоширеніших варіантів нульових доказів. Його повна назва – "нульове знання компактного неінтерактивного доказу".

Процес доказу zk-SNARK складається з наступних етапів:

1. Перетворіть проблему на схему
2. Перетворення схеми в форму R1CS
3. Перетворення R1CS у форму QAP
4. Генерація випадкових параметрів для надійних налаштувань
5. Генерація та перевірка zk-SNARKs

Цей процес забезпечує цілісність, надійність і zk-SNARKs доказу.