ALICE:簡明理解零知識證明歷史、原理與發展現狀_NAR

原文標題：《零知識證明最簡介紹：歷史、原理、實現》

密碼學可以說是區塊鏈技術的基石，而其中的零知識證明更是因為深度契合區塊鏈的技術特點，而得到了廣泛的應用和關注。

本文旨在用最簡單的語言和形式，向大家介紹零知識證明相關的歷史、概念、原理、技術實現以及發展現狀。

那么讓我們開始吧。

歷史和起源

密碼學是一門可以追溯到2000多年前的古老學問，其發展歷史主要可以劃分為以下幾個階段：

古典密碼學

這一時期的密碼學主要被應用于軍事領域，如何有效的傳遞密文，又能防止被敵人截獲后破解，是其主要考量。16世紀由法國人發明的「維吉尼亞密碼」是古典密碼理論發展上的一個重要里程碑，它使用一個詞組作為密鑰，詞組中每一個字母都將確定一個替換表，「維吉尼亞密碼」循環的使用每一個替換表完成明文字母到密文字母的變化。

明文：ilovebitcoin

密鑰：satoshi

對于第一個字母i，取第i行第s列，得到A；第二個字母l，取第l行第a列，得到L…依次循環，最后得到密文：ALHJWIQLCHWF。可見，在不知道密鑰的前提下，不借助計算機已經非常難以破解這樣的密碼。

近代密碼學

這一階段真正的開始源于香農在20世紀40年代末發表的一系列論文，特別是1949年的「CommunicationTheoryofSecrecySystems」，把已有數千年歷史的密碼學推向了基于信息論的科學軌道，密碼學終于從藝術轉向科學。

這一時期的重要突破是DES的出現，直至今日也只能用窮舉法對其進行破解。DES加密算法風行世界，并在金融等商業領域得到了廣泛的應用。

報告：貝萊德比特幣ETF即便獲批也不會在2023年內推出:6月24日消息，Bloomberg Intelligence高級宏觀策略師Mike McGlone在社交媒體公布了最新一期《加密展望》報告內容，其中指出即便貝萊德申請的現貨比特幣交易所交易基金（ETF）真的獲得監管機構批準，該ETF也不會在2023年內推出。此外，Mike McGlone還指出美聯儲在最近的FOMC會議上已經宣布今年還將“再加息幾次”，加上流動性走弱和潛在股市走熊，這些都與復蘇預期相反，因此加密市場依然會遇到上升阻力。[2023/6/24 21:57:10]

現代密碼學

1977年，麻省理工學院的RonRivest、AdiShamir、LeonardAdleman提出的非對稱加密算法RSA，有效的解決了密鑰傳送的問題，標志著密碼學進入了百家爭鳴的現代階段。

1989年，由麻省理工學院研究人員Goldwasser、Micali及Rackoff提出了「零知識證明」的概念，當時的他們一定不曾想到，若干年后出現的區塊鏈技術徹底激活了零知識證明的應用，而零知識證明則為區塊鏈技術提供了一種絕佳的解決方案。零知識證明的方法特點和區塊鏈技術的系統特點達成了完美的契合。

零知識證明及zkSNARK

零知識證明是指，在不揭曉我所知道或擁有的某樣東西的前提下，向別人證明我有很大概率確實知道或擁有這樣東西。

zkSNARK則是在區塊鏈中應用最廣泛的一種零知識證明，其全稱是「zero-knowledgeSuccinctNon-InteractiveArgumentsofKnowledge」。

瑞士烹調巨頭\"美極Maggi\"推出首個NFT:金色財經報道，雀巢旗下瑞士烹調巨頭\"美極Maggi\"宣布將采用區塊鏈技術推出首個NFT，這些NFT將覆蓋美極Maggi公司旗下主要產品，包括Maggi面條、Maggi Masala-ae-Magic和Maggi Hot & Sweet等，據悉這是美極Maggi公司首次推出NFT，該公司食品業務負責人Rajat Jain透露未來還將推出更多創新方式與顧客互動，旨在通過NFT改變食品和飲料 (F&B) 行業的游戲規則并為客戶參與設定新標準。（abplive）[2023/3/16 13:08:16]

光聽定義，大家一定一頭霧水，本節將借用一個例子，盡可能接地氣的向大家介紹這兩個概念。

Alice、Bob和Charlie都是數獨愛好者，所謂數獨是這樣一種游戲，玩家需要根據9×9盤面上的已知數字，推理出所有剩余空格的數字，并滿足每一行、每一列、每一個粗線宮的數字均含1到9，且不重復。

有一天Alice設計了一道巨難的數獨題目來考Bob和Charlie，Bob苦思冥想了幾天也做不出，便向Alice抱怨這肯定是道無解的題目。Alice不想將實際的解告訴Bob，但是又需要證明她確實知道解，于是她設計了一種巧妙的「零知識證明」的方式。

證明（TheProof)

Alice拿出81張空白的卡片，并在每張紙上寫上1-9中的一個數字，接著她將代表謎面的卡片數字面朝上、代表謎底的卡片數字面朝下都放在桌上，并組成了9x9的矩陣。

Venly通過其Shopify NFT鑄造應用程序擴展至Avalanche:金色財經報道，區塊鏈技術初創公司Venly今天宣布通過其Shopify NFT 鑄幣應用程序擴大對 Avalanche 的支持。該產品以前僅可供部分Shopify用戶訪問，但現在可提供給平臺上的所有商家。該公司聲稱，Shopify 是一個主要的電子商務平臺，為全球數百萬賣家的在線店面提供支持。首席執行官 Tobi Lütke 是 Web3 的倡導者，同時也是加密貨幣交易所 Coinbase的董事會成員。[2023/1/6 10:24:44]

隨機挑戰

接下來怎么讓Bob確認這就是正確的解呢？很簡單，由Bob隨機選擇行、列或是粗線宮中的一種進行驗證，假如選擇行，則將這81張卡片按9行分別放到9個麻布袋中，搖勻并確保卡片次序打亂。

驗證

簡潔

雖然數獨游戲有3種情況需要驗證，但每次驗證時Bob實際只需要驗證其中的一種，這有效減少了驗證工作量，提供給驗證者的實際是一個比原命題小的多的證明，這就是所謂的簡潔。

重復

之后重復這個隨機驗證步驟，我們假設Alice運氣很好，每次都能提前猜中Bob會選擇哪種驗證方式，并以此來模擬一個解，那么她通過1次驗證的概率為1/3，通過2次驗證的概率為1/9，通過10次驗證概率就只有1/59049了。在不厭其煩的進行了20次驗證之后，Bob無奈的承認，Alice是真的知道這個答案的解，因為Alice憑運氣通過驗證的概率只有35億分之一！

FTX CEO：公司控制徹底失效、財務信息毫無可信度:金色財經報道，FTX新任CEO JOHN J. RAY III在提交給特拉華州法院的文件中對SBF管理不善的行為進行了評估。John Ray批評FTX存在記錄保存不力問題、高級管理人員缺乏經驗。

John Ray表示，在其職業生涯中，從未見過如此徹底的公司控制失效，以及如此缺乏可信度的財務信息，就像在FTX發生的那樣。從系統完整性受損、國外監管失誤，到控制權集中在極少數缺乏經驗、不成熟且可能受到損害的個人手中，這種情況是前所未有的。[2022/11/17 13:18:22]

模擬

這個時候，Charlie也來向Alice抱怨這個題目的無解，Alice和Bob又重復了剛才的證明，沒想到卻沒有得到Charlie的認可。Charlie提出了這個證明中的漏洞，如果Bob和Alice是一伙的，每次Bob都會提前告訴Alice他要選擇的驗證方式，那么Alice就可以很容易的在沒有解的情況下模擬出一個證明來通過這些測試。

非交互式證明

不可能讓每個持有這種懷疑的人都重復一遍Bob進行的隨機驗證，于是三個小伙伴設計了一臺神奇的機器，Alice只需要提交一次卡片，這臺機器就可以按照初始設置好的驗證序列，自動化的對這些卡片進行重復驗證。驗證從交互式的，變成了非交互式的。這里我們要注意，并不是說非交互式證明就沒有重復隨機實驗這個過程。實際上，只不過是隨機點不由驗證者給出，而是由一個可信的第三方在初始化階段就給出，這樣一來，證明者就可以直接給出證明，驗證者只需要驗證證明即可，驗證者和證明者之間不再需要交互。

可信設置儀式

路透社：馬斯克就440億美元的交易反訴Twitter:金色財經消息，據路透社報道，埃隆·馬斯克在放棄以440億美元收購推特的法律戰中反訴推特，并補充說該訴訟是秘密提出的。雖然這份文件是密封的，但修訂后的版本可能很快就會公布。

報道稱，該訴訟是在周五提起的，而就在幾小時前，法院下令于10月17日開始為期五天的庭審，以決定馬斯克是否可以退出該交易。

7月8日，馬斯克在與Twitter就虛假賬戶的比例發生分歧后，申請退出收購該公司的交易。在5月份的一份文件中，推特估計其5%的賬戶是虛假的。隨后，在4月底接受馬斯克的收購要約后，Twitter于7月12日起訴馬斯克，迫使他以約440億美元的價格收購該平臺。（theblock）[2022/7/30 2:48:16]

其中最有趣也最重要的環節就是驗證序列的初始設置。在機器啟動前，會有一排設置旋鈕，通過這些旋鈕可以選定每一輪的驗證方式。在設置這些旋鈕時，每個人依次進入放置機器的房間，選擇一個旋鈕并設置好，之后就用一個鐵盒子徹底焊死這個旋鈕，讓其他人無法看見也無法改變這個旋鈕的選擇。為了讓初始設置盡可能的可信，小伙伴們邀請了鎮長、小學校長和警察局長這三位小鎮上最德高望重的長者來參加設置儀式，大家都相信他們絕對不可能參與作假，因此他們稱之為「可信任的初始設置儀式」。

一臺數獨游戲的簡潔非交互式零知識證明機，誕生了！

zkSNARK的技術實現

通過上一節我們已經弄明白了零知識證明和zkSNARK的基本概念和原理，這一節我們再來一窺zkSNARK的技術實現。可以說整個實現過程相當的繁瑣晦澀，且需要一定的背景知識，因此本小節只力圖講清楚其核心思想，而不拘泥于過分復雜的數學推導。

我們從一個方程式開始，X^3+X+5=35，顯然解是3。那么現在，證明者如何向驗證者證明自己知道方程的解是3，而又不告訴驗證者這個解呢？

首先，我們將方程轉化為計算機語言，這很容易實現：

y=x*3returnx+y+5

接著，我們將上面的代碼拍平。所謂將代碼拍平，是指讓代碼一次只做一件事，形如x=yopz。

拍平后，代碼變成以下語句：

sym_1=x*xy=sym_1*xsym_2=y+x~out=sym2+5

然后，我們引入R1CS一階約束系統，R1CS是一個由三向量組組成的序列，同時有一個解向量s，s滿足s·a*s·b-s·c=0。

在本例中，s的結構為，可見其由一個特殊的~one、方程的解x、方程的輸出~out和一系列中間變量構成，其順序不重要，只要保證有序即可。

我們把語句變換成如下形式，來方便我們求解abc：

x*x-sym_1=0sym_1*x-y=0y+x-sym_2=0sym_2+5-~out=0

我們很容易得出第一個式子對應的三個向量：

a=b=c=

推導過程其實很簡單，我們知道要滿足s·a*s·b-s·c=0，那么對應第一個式子x*x-sym_1=0，只需要s·a=x、s·b=x、s·c=sym_1即可，而s=，那么a只要在x的位置等于1，其余位置等于0，即得出。

大家可能對上面一系列眼花繚亂的變換感到莫名其妙，我們究竟在做什么？這里要揭曉謎底了，我們對每個式子驗證s·a*s·b-s·c=0，其本質是在驗證每一步都得到了正確的計算，也即如果我們可以驗證每一步都是正確的，那么最終結果也一定是正確的。

以上的每一步，看似都在舍近求遠，因為s里本身就包含了方程的解x，驗證者只需把x代入就能進行驗證。但從另一個角度看，通過這一系列的轉換，我們構建了一種將證明和驗證分離的方式。在證明過程中，證明者需要知道解并生成一系列中間結果，而驗證者則只需要驗證其一系列結果構成的解向量是否滿足一系列約束，而不需要關心這個解到底是多少。

現在只剩一個問題留待解決，就是能否通過一種方式，讓驗證者看不到裸著的解x，同時依然可以進行驗證過程。答案是肯定的，借由橢圓曲線、雙線性對運算和指數知識假設這一系列數學手段我們就可以做到這一點，因為其推導過程過于復雜，本文不做贅述。整個zkSNARK的技術實現流程參見下圖，需要了解更多細節的同學可以閱讀參考資料中給出的Vitalik的文章。

零知識證明發展現狀

零知識證明協議

零知識證明目前有如下幾種協議，每個協議代表一條實現零知識證明的道路，不同道路最后會產生不一樣的效果。

其中，安全性最高的是STARKs算法，其不依賴數學難題假設，具有抗量子性，并實現了透明通用字符串；Proofsize最小的snarks協議是groth16算法；Plonk是SNARK協議中的一個算法，Proofsize和安全性處于適中狀態。

SNARKs協議算法

作為區塊鏈技術中應用最廣泛的SNARKs，已經發展出了諸多各具特點的協議算法：

Groth16：Groth16是目前最快、數據量最小的zk-SNARK，被用于Zcash等。Groth16的CRS不是通用的，其設置需要綁定到一個特定的電路。由于其速度和證明的小數據量，因此常常被新的zk-SNARK拿來比較性能。

Groth16論文鏈接

Sonic：Sonic是一種早期的通用zk-SNARK協議，支持通用、可升級的參考字符串，論文發表于2019年1月。Sonic的證明大小固定，但是驗證成本高，理論上可以將多個證明分批驗證以獲得更好的性能。下面列舉的許多新的zk-SNARK都是基于Sonic。

Sonic論文鏈接

Fractal：Fractal是一種允許遞歸的zk-SNARK。通過對電路的預處理實現了透明設置。證明最大250KB，這比其他構建生成的證明都要大的多。

Fractal論文鏈接

Halo：Halo支持遞歸證據組織，無需可信設置，與其他新的zk-SNARK構建不同，Halo的驗證時間是線性的。

Halo論文鏈接

SuperSonic：Sonic的改進版，是第一個在驗證時間和證明數據量方面實用化的透明zk-SNARK。

SuperSonic論文鏈接

Marlin：Sonic的改進版，證明時間縮短10倍，驗證時間縮短4倍。

Marlin論文鏈接

Plonk：Sonic的改進版，證明時間縮短5倍。

Plonk論文鏈接

硬件成本

當前零知識證明缺乏專用硬件，導致硬件成本偏高，租用云服務器滿負荷下成本約為0.002元/筆，有空載情況下約為0.02元/筆。Vitalik曾提出一個設想，當以太坊共識機制改為PoS，不需要那么多挖礦硬件后，這些算力可以經改造后轉向支持零知識證明，這可能有效降低零知識證明的運行成本。

寫在最后

如今，零知識證明已經在區塊鏈領域大放異彩，包括第一個實現zkSNARK的匿名加密貨幣Zcash、Layer2的主要解決方案zkRollup等等。

DeGate團隊也將在產品實現中大量應用零知識證明，藉由其強大特性，我們將Orderbook的撮合交易轉到MatchNode中進行，使用戶可以實時的掛單、撤單和成交，且其中掛單撤單免費；之后再將訂單批量結果生成證明，傳回Layer2上進行驗證，這讓DeGate在繼承以太坊安全性的同時，既可以隱藏下單關鍵信息又可以有效降低Layer2上的Gas費消耗。而我們的最終目標是，無論在操作體驗上，還是手續費消耗上，都使DeGate達到媲美中心化交易所的水平。

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