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ARK:全面梳理ZK的技術史:或蘊藏下一個千億應用?_alice幣還有長期價值嗎

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原文來源:R3PO

加密世界的焦點經歷了比特幣、以太坊、DeFi、NFT、元宇宙和Web3的多次變遷,唯獨缺少對加密技術本身的關注,除了比特幣的橢圓曲線加密算法還算有一點大眾認知度,其他加密算法基本停留在研究員和開發者的自嗨中。

R3PO認為這不夠去中心化,會嚴重阻礙Web3的進一步擴展,密碼學是區塊鏈的基礎件,不應該被少數人掌握,而應走向更廣闊的領域。

R3PO希望能用新的書寫范式去闡述術語的含義,兼顧專業性和可讀性,致力于為機構投資者、項目方發現潛藏在發展中的投資機會、創業方向和切入點,尋找到未被發掘的α收益。

近期大熱的零知識證明技術仍是一個不斷發展、不斷革新的細分領域,但其技術本身又具備足夠廣闊的應用場景,因此對其進行全景梳理顯得十分重要。

零知識證明技術并非新概念,細細梳理可知,迄今已經經過40年的發展,誕生出多種模型和應用。

進入Web3時代,早在2017年,V神便已經注意到ZK技術在以太坊上的使用潛力,而最近Starkware獲得1億美元的融資使其總融資額度達2.25億,這代表機構是以公鏈級別的估值和潛力來看待ZK技術。這將是一個長期鏖戰的領域,會暴露出更多的投資機會。

向后推演20年,R3PO認為ZK發展至少具備一個甲子的生命長度,因此描繪整個ZK的發展歷程需要追本溯源,以更好地厘清其發展邏輯,尋找到下一步的潛在機會。

WBF創始人BellaFang:WBF交易所已全面切入IPFS賽道:7月6日,由濱合云智主辦、WBF交易所聯辦的“擁抱IPFS浪潮 · 解讀區塊鏈價值”行業峰會在杭州洲際酒店召開。新加坡WBF交易所創始人BellaFang出席盛典并發表主題演講。

BellaFang表示:“2020上半年WBF在不確定性的市場環境中依然取得矚目成績,截至6月27日,WBF全球真是注冊用戶已破500萬,最高日活24萬。2020年7月Filecoin即將主網上線,IPFS再度引發市場熱議,據BellaFang透露,目前WBF交易所已全面切入IPFS賽道,并將于7月8日上線“瓦特IPFS云算力”(第一期)產品。”[2020/7/6]

本系列首篇將會從零知識證明起步,超越ZK只能應用于L2領域的固有觀念,帶給大家全新的系統性認知。

1982:財不外露,便分高低?

對于財富的追求自古有之,項羽就說過:“富貴不還鄉,如衣錦夜行”,但太多的財富會引人覬覦,有沒有一種辦法,在既不暴露財富數量的同時又比較出財富的多寡呢?

1982年,后來的圖靈獎得主姚期智便設想過這個問題,這就是著名的百萬富翁問題,省略其數學過程,其大致運作模式如下:

Alice和Bob選擇代表自己財富數量的數字i和j,取值區間在1-10之間;

聲音 | 民生銀行董事長:基于區塊鏈等數字科技的全面引入,在未來10年預計將為服務業加快數字化轉型升級:2月4日,經濟參考報刊文“合作共贏是全球經濟主旋律對外開放是我國發展必由之路”。華夏新供給經濟學研究院理事長、中國民生銀行董事長洪崎認為,2020年我國實現國民經濟持續健康發展具備好于2019年的內外部環境。2020年第一天,央行就公布全面降準0.5個百分點。央行、銀保監會,還就破解中小民企融資難、融資貴提出了較系統的對策。此外,基于區塊鏈等數字科技的全面引入,在未來10年預計將為我國農業、制造業、金融業等服務業加快數字化轉型升級,實現“空中飛躍”、“云中漫步”式的超越,進而邁進高收入國家行列,提供強有力的技術支撐。[2020/2/4]

Alice對i進行單向加密,并將加密后的結果k發送給Bob,Bob得到一個與i相關的新值;

Bob對k進行運算后會得到一個新值m,并將其傳遞回Alice此時,Alice可以判斷m和i的關系。

這個過程可以繼續推演,雙方可在不完成信息暴露的前提下最終完成比較。

當然,以上過程并不全面,但足以說明一個問題,我們確實可以在兩方之間,并且在不暴露信息的前提下進行計算,如果將兩方擴展至多方,將區間擴展至更大范圍,那么這就是典型的多方安全計算MPC(SecureMulti-partyComputation)問題。

聲音 | 平安銀行首席資金執行官:平安銀行已經全面探索區塊鏈等創新技術在資管業務的應用:金色財經報道,11月29日,平安銀行首席資金執行官王偉在上海舉行的2019上證財富管理論壇上表示,目前,平安銀行已經全面探索生物識別、金融云、人工智能、大數據和區塊鏈等創新技術在資管業務的應用,目前科技已全面落地客戶服務、投資研究、 產品轉型三大場景。[2019/11/30]

百萬富翁問題是ZK討論的一個起點:

在不暴露財富信息的前提下,符合零知識的定義;

在不借助第三方進行評估的條件下,考察的是兩者或者參與方之間的直接交互。

1985年,Goldwasser、Micali和Rackoff首次提出Zero-KnowledgeProof模型,準確而言是“交互式零知識證明”模型,簡單而言就是允許在多次交互的前提下,通過ZK技術來驗證真假、大小。

此處的零知識并不完全準確,以Alice和Bob的互動為例,Alice和Bob可以互為驗證者和證明者,但是兩者間傳遞的信息不能和財富數量本身有關,這里的零知識是指相關性為零,而并非不傳遞信息。

而交互式指的是可以多次進行交互,這個過程可以反復進行,直至得出正確結果。

至此,目前所熟知的ZK技術邁出了成型的第一步,接下來的一切發展,都是在其上的刪減增改。

動態 | 湖南湘潭市將推進區塊鏈等現代信息技術與農業全面融合:據湖南省人民政府官網,今明兩年,湘潭市將全力推進互聯網、物聯網、區塊鏈、人工智能、3S技術等現代信息技術與農業生產、經營、管理、服務全面融合。適時舉辦數字鄉村發展大會,推動湘潭市數字鄉村發展。[2019/3/12]

當時間來到1991年,ManuelBlum、AlfredoSantis、SilvioMicali和GiuseppePersiano提出非交互式零知識證明,聞名即可知,此次升級重點是進行非交互式的證明過程,也就是在雙方之間不進行交互的同時,驗證一個定理、假說的真偽性,這看似很反直覺,但是有一個絕妙的例子可以說明:

Alice和Bob財富自由后變身數學家。Alice離開web2去環游web3,期間Alice繼續ZK研究。

我們假設Alice能夠在發現一個新定理的證明時,給Bob寫一張明信片,證明她在研究中取得了新進展。

這是一個非交互式的過程,準確的說,它是一個單方向的互動:只從Alice到Bob。即使Bob想回答,他也不可能。因為Alice沒有穩定的地址,在任何郵件能到達她之前就會搬走。

我們約定,只要Bob收到郵件,我們不需要查看郵件內容,就可以確定“Alice取得了研究上的新進展”這個命題為真。

動態 | 京東區塊鏈服務平臺正式全面開放:據國際在線報道, 京東自主研發的區塊鏈服務平臺——“智臻鏈”,接入超過500家國內外Top品牌商、超過3.5萬個SKU、12億條溯源上鏈數據檢驗過的京東區塊鏈技術和應用,正式全面開放。[2018/12/26]

非交互式零知識證明將交互次數減少到最多一次,可實現線下驗證和公開驗證,前者為Rollups奠定了有效性基礎,后者耦合區塊鏈的廣播機制,可避免多次計算帶來的資源浪費。

至此,我們目前見到的ZK便已經成為成熟理論模型,但此時的ZK更多是數學和密碼學領域的研究對象,和區塊鏈并無太多關聯,而在比特幣出現后,加密技術區塊鏈才成為研究的方向,而ZK無疑是其中的佼佼者。

值得注意的是,中本聰本人并不排斥ZK技術在比特幣網絡的使用,更多的是當時的ZK技術不成熟,因此最終選擇了較為安全的ECC算法,而ZK本身可以直接應用到Layer1區塊鏈上,Zcash、Mina,以及以太坊的伊斯坦布爾升級都涉及到了零知識證明的相關領域。

SNARGs:?SuccinctNon-InteractiveArguments

SNARKs:?SuccinctNon-InteractiveArgumentsofKnowledge

從應用角度來說,此次改進在于“簡潔”Succinct功能上,具體而言,SNARK致力于壓縮信息本身的大小,在ZCash中,程序電路是固定的,因此多項式驗證也是固定的,這使得設置只需執行一次,交易后續只需改變輸入便可復用。

在2013年,Pinocchio協議提升效率至分鐘級別證明,以及毫秒級別的驗證時間,開銷控制在300字節以內,這也是ZK-SNARKs技術真正首次落地到區塊鏈領域。

這證明了ZK技術可以在隱私場景上發揮作用,R3PO判斷后續的隱私路線會具備脫離L2單獨存在的潛力,Aztec證明了隱私DeFi路線的可行性,而在tornado被制裁后,鏈上金融隱私仍舊是強烈的剛需,這個方向的投資機會仍未被廣泛發掘,值得后續期待。

此外,隱私幣項目Zerocash進一步改進了相關算法,使用的是SCIPRLab優化后的zk-SNARKs算法,在理論條件下,可以做到既隱藏付款來源、接受者和金額,并且交易可以控制在1KB以內,驗證時間在6ms之內。

Step1:zk-SNARKs證明節點有效性,只需要保存其證明結果;

Step2:通過遞歸調用,確保節點有效性的正確傳遞和檢索,不需要保留所有歷史數據,實現極致壓縮數據的效果;

傳遞結果的有效性,而非保存全節點數據,這是Mina證明行之有效的手段,而在以太坊L2,ZK-Rollup可以通過打包多次交易數據,結算一次的方式完成有效性證明,而進一步推演,L2之上可以迭加L3,或者Dapp應用,這些都是ZK可以發展的細分賽道,比如dYdX目前運行在Starkex之上,以及架構在Starkware之上的L2ImmutableX,都證明ZK的使用潛力,這個賽道的價值目前仍未被全部挖掘,仍留有長期的投資價值。

至此,ZK-Rollup涉及所有的技術要件就已經基本齊備了,我們已經裝備好足夠的ZK基礎知識,并且可以總結ZK的以下特點:

非交互式:不需要多次驗證,只需一次驗證就可以廣播至全網;

零知識:不需要透露信息本身的特征,可在全網進行公開傳播;

知識:知識不是公開、易得的信息,必須具備獨特的價值,比如經濟價值、隱私價值等;

證明:證明由數學手段確認,安全性經過多年研究和實踐檢驗;

如果將這些技術特點組合起來,我們可以發現,ZK天然適合L2擴容,并且又不局限于L2,ZK技術的其他應用會在后文中持續發表,歡迎大家繼續關注。

StarkWare之外,其他的L2項目,包括zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等都采用的是SNARKs技術路線。

究其原因,在于STARK的開發難度過大,目前只有StarkWare有能力進行自研,但其好處也十分明顯,相較于SNARK,其可承載的運算量也會更大,在運行大型數據時,其安全性會更高,比如游戲、社交、NFT等方向。

其次,STARK路線具備抗量子攻擊的特性,這在未來十年具備顛覆行業格局能力的可能,比特幣采用的ECC算法并不能完全具備抗量子破解的可能,如果加入zk-STARKs技術,其安全性會顯著提高。

可以總結以太坊L2的格局,短期OptimisticRollup,5年后zk-SNARKs路線,10年后zk-STARK路線終將會勝出。

總結

我們從百萬富翁問題出發,由MPC問題過渡到零知識證明領域,出于經濟原因,交互式的零知識證明不完全適用于鏈上活動,而非交互零知識證明逐漸成為主流。

隨著Zcash的發展,SNARKs技術日漸應用到其中,使ZK技術從單純的密碼學研究對象變身為區塊鏈領域中使用的工程手段,在隱私、安全、效率方面發揮自己的作用。

以太坊擴容場景,則使ZK成就了L2,Rollup技術路線戰勝其他競爭對手,zk-STARKs也逐漸發展起來,有望激活挖礦、GameFi、NFT等更為普遍的使用場景。

在以太坊之外,越來越多的新模式已經逐步涌現,比如可定制模塊化Rollup路線,又如剛完成1500萬美元融資的Eclipse,其路線圖會支持Move語言和Solona網絡,以及完成3000萬美元融資的Scroll,其希望建立EVM等效的ZK-Rollup。

新故事背后的驅動力是對ZK技術的認可,廣泛來說,ZK是一個“大而全,長而遠”的領域,大額融資消息的不斷傳出也說明市場對其接受度在逐步走高,但總體而言,這還是一個新領域,即使僅論其技術路線,也有“內卷”的流派,而其中的投資機會則長期存在,無論是內嵌入底層基礎設施,還是落地于具體應用場景,需要我們不斷去發掘。

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