ArkStream Capital：零常识证明四十年的技术演进与将来展望

零常识证明（ZKP）被誉为区块链范围自分布式账本技术（DLT）以来非常重要的技术突破之一。本文系统回顾了零常识证明技术近四十年的进步经历，并分析了其最新研究成就。文章第一介绍了零常识证明的基本定义及其历史背景，随后详细剖析了基于电路的零常识证明技术，包含zkSNARK、Ben|Sasson、Pinocchio、Bulletproofs和Ligero等模型的设计、应用及优化办法。在计算环境方面，本文介绍了ZKVM和ZKEVM，分析了它们怎么样提高买卖处置能力、保护隐私与提升验证效率。文章还讨论了零常识Rollup（ZK Rollup）作为Layer 2扩展解决方法的工作机制和优化进展，与硬件加速、混合解决方法和专用ZK EVM的最新进步。

最后，本文展望了ZK Coprocessor、ZKML、ZKThreads、ZK Sharding和ZK State Channels等新兴定义，分析了它们在区块链扩展性、互操作性和隐私保护方面的潜力。通过对这类最新技术和发展势头的剖析，本文为理解和应用零常识证明技术提供了全方位视角，并展示了其在提高区块链系统效率和安全性方面的巨大潜力，为将来的投资决策提供了要紧参考。

前言

在网络迈向Web3年代的背景下，区块链应用（去中心化应用）迅猛进步，天天都有新的应用涌现。近年来，区块链平台处置着数以百万计的用户活动和数十亿笔买卖。这类买卖产生的很多数据包括用户身份、买卖金额、账户地址和余额等敏锐信息。鉴于区块链的开放性和透明性，这类数据对所有人开放，从而引发了多种安全与隐私问题。

面对这类挑战，几种加密技术被提出，包含同态加密、环签名、安全多方计算（SMPC）和零常识证明（ZKP）。同态加密允许在不解密密文的状况下进行计算，但没办法保护账户地址的安全。环签名可以隐藏签名者的身份，却不可以保护账户余额和买卖金额。安全多方计算能在多个参与者之间分配计算任务，而不需要知道其他参与者的数据，但同样没办法保护账户地址的安全。除此之外，这类技术没办法在不泄露买卖金额、账户地址和账户余额的状况下验证买卖金额的充足性。

零常识证明则提供了更全方位的解决方法。通过ZKP，验证者可以在不透露任何私人数据的状况下验证某些命题的正确性。验证过程包含生成一个证明，然后将它传递给验证者，验证者对证明进行计算，从而确定是不是同意证明者的声明。这个过程可以在区块链上记录，并确保没伪造的可能性。

零常识证明的特质使其在区块链买卖和数字货币应用中饰演了核心角色，尤其是在隐私保护和互联网扩容方面。它不只成为了学术研究的焦点，也是行业应用和风险投资的重点范围。伴随ZKP技术的不断进步，诸如ZkSync、StarkNet、Mina、FIL和Aleo等基于ZKP的互联网项目应运而生，几乎每周都有新的算法问世。

除此之外，与ZKP技术有关的硬件开发也在迅速推进，包含专为ZKP优化的芯片。项目如Ingonyama、Irreducible和Cysic已经完成了大规模资金募集，这类进展展示了ZKP技术的飞速发展，并反映了从通用硬件向专用硬件（如GPU、FPGA和ASIC）的转变。这类进展表明，零常识证明技术不止是密码学范围的要紧突破，也是区块链技术应用的重点推进力，特别是在提升隐私保护和处置能力方面。

因此，大家决定系统地整理零常识证明（ZKP）的有关常识，以帮助大家做出将来的投资决策。本文综合审阅了有关核心学术论文，并剖析了领先项目的资料和白皮书，为本文的写作提供了坚实的基础。

1、零常识证明入门知识

1. 概述

零常识证明（ZKP）初次由Goldwasser、Micali和Rackoff在1985年的论文《The Knowledge Complexity of Interactive Proof|Systems》中提出。这一开创性的研究概念了零常识证明的核心定义，比如“常识复杂度”与交互式证明系统（IPS）。常识复杂度是用来量化证明者在交互式证明中泄露的常识量的定义。交互式证明系统中的证明者（Prover）和验证者（Verifier）通过多轮互动来证明某个语句的真实性。

依据Goldwasser等人的概念，零常识证明是一种特殊的交互式证明，其中验证者在验证过程中只获得语句的真值，而没办法获得任何额外信息。零常识证明拥有三个基本特质：

完备性（Completeness）：假如论证真实，诚实的证明者可以说服诚实的验证者。靠谱性（Soundness）：假如证明者不了解声明内容，他只能以微不足道的概率欺骗验证者。零常识性（Zero|Knowledge）：验证者只获得“证明者拥有此常识”的信息，而没办法获得任何额外内容。

2. 零常识证明示例

为了更好地理解零常识证明及其属性，以下是一个验证证明者是不是拥有某个秘密数字的示例。该示例包含设置、挑战和响应三个阶段：

设置（Setup）
证明者创建一个证据来证明他了解某个秘密数字，但不直接显示该数字。计算和传递中间值供验证者用，但不暴露秘密数字。

挑战（Challenge）
验证者随机选择一个位（0或1）并发送给证明者，决定证明者下面需要采取的步骤。

响应（Response）
依据挑战位的值，证明者进行响应。验证者依据收到的响应计算并验证证明者是不是通过验证。

通过这种方法，验证者可以确定证明者是不是了解某个秘密数字，而不需要直接获得该秘密数字。

2、非交互式零常识证明

1. 背景

传统的零常识证明一般是交互式的，但在某些场景中，如即时买卖或投票，交互式验证可能不实质。因此，非交互式零常识证明（NIZK）成为一个关键的研究范围。
1988年，Blum、Feldman和Micali初次提出了非交互式零常识证明的定义，证明了不需要多轮交互即可完成认证过程的可能性。他们提出的NIZK分为设置、计算和验证三个阶段。

2. Fiat|Shamir变换

Fiat|Shamir变换由Fiat和Shamir在1986年提出，通过引入哈希函数，将交互式零常识证明转化为非交互式证明。该办法通过用公共密码学哈希函数替代部分随机性和交互性，来保障证明的真实性和很难伪造的特质。尽管在理论上这种办法被觉得是安全的，但实质应用中可能面临挑战。

3. Jens Groth及其研究

Jens Groth在零常识证明范围的研究推进了技术的进步。他提出了适用于任何NP语言的完美非交互零常识证明系统，并设计了一种简洁高效的证明系统，降低了CRS和证明的体积。除此之外，他还分析了全同态加密与非交互零常识证明的结合，提出了一种降低通信开销的策略。

4. 其他研究

在特定应用场景中，特定验证者的非交互式零常识证明表现出独特的实用价值。比如，Cramer和Shoup开发的公钥加密策略有效地抵御了选择性密文攻击。Damgård、Fazio和Nicolosi提出的改进办法允许在不需要直接交互的状况下进行非交互式零常识证明。

结论

零常识证明技术的不断进步和革新不只在密码学范围带来了重大突破，也推进了区块链技术的进步。知道这类技术的演变和最新研究成就，能够帮助大家更好地应用零常识证明，并为将来的投资决策提供要紧参考。