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STARK:零知識證明的技術路徑之爭:zk-SNARK和zk-STARK誰更優?_STA

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Crypto行業被廣泛關注的零知識證明技術,并非是這幾年剛冒出來的新技術,而是在1980年就被數學家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。

零知識證明涉及一系列步驟,可以實現密碼學中的「可用而不可知」。

而區塊鏈有著公開透明、不可篡改等特征,意味著加密投資者的鏈上資產及交易記錄是沒有隱私可言的,于是零知識證明技術被引入了區塊鏈,當中以zk-SNARK和zk-STARK最為關注。

zk-SNARK被項目方采用得最多,zk-STARK則被密碼學專家認為優于ZK-SNARK。那么綜合技術與實際應用,二者誰更優?

zk-SNARK:簡潔+非交互性

AlessandroChiesa等人在2012年開發了zk-SNARK協議,這是一種簡潔化、非交互式的零知識證明技術,全稱是zero-knowledgesuccinctnon-interactiveargumentsofknowledge,可以拆解成三部分來理解:

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zero-knowledge:

零知識證明,在不暴露隱私情況下向對方證明一件事情,讓數據「可用而不可知」。

succinct:

簡潔性,要證明的東西占用的空間很小,而且可以快速驗證。

non-interactive:

非交互性,意味著證明者和驗證者之間不需要有交集即可快速地得到驗證結果。

zk-SNARK的簡潔性和非交互性,是相對于傳統的零知識證明方案而言的。

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簡單來說,傳統方案是交互式證明,即示證者和驗證者之間反復確認,你可以理解為示證者不斷向驗證者詢問“是或不是?”,然后驗證者不斷給出回答,直到最后碰出一個正確答案來,所以效率很低。

zk-SNARK的解決方案則不需要雙方反復確認“是或不是”,而是提前先搞一個「可信初始化」,從而生成公共參考字符串,然后所有的示證者都可以直接訪問它。

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打一個通俗的比方。交互式證明相當于老師要批改每一個考生的每一道考題,效率很低,但正確答案只掌握在老師這邊,基本不存在有人偷答案的情況。

但zk-SNARK直接上傳了正確答案,然后讓考生自己對答案,非常高效,代價是答案有可能被泄露,雖然這個答案系統是經過加密的。

因此針對zk-SNARK容易被泄露的問題,有很多圍繞著提高「答案系統」安全性的解決方案,不同采用zk-SNARK的項目方的方案各有不同。如zCloak錢包是直接把算法以純文本的形式發給用戶,用戶下載到本地去做計算。

zk-STARK:概率證明+緩沖時間

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zk-STARK是成立于2017年12月的StarkWare團隊開發的,它是針對zk-SNARK的替代解決方案。研發歷時一年多,經過無數次迭代才徹底搞定,已經到2019年了。

zk-SNARK是提前生成公共參考字符串,用非交互式證明的方式提高了證明效率,但也留下了隱患。zk-STARK雖然是交互式證明,但它是一種巧妙的交互式證明——通過哈希函數碰撞來保證安全性,因此也實現了高效證明。

這個思路直接借鑒自2015年推出的交互式預言機證明技術,簡單來說是先把問題用密碼學的方式打碎,然后驗證者隨機向示證者提出幾個的問題,如果幾輪下來,示證者都給出準確的回答,那么驗證就通過了。

所以zk-STARK同樣也只需要極少的計算資源就可以完成證明,但是它更安全,不存在答案泄露的風險。并且為了進一步確保安全性,還設置了爭議時間延遲來作為緩沖。

zk-SNARK和zk-STARK的區別

1.透明度

zk-SNARK的公共參考字符串通常由一個小團體來保管,因此有泄露的可能性,從而被惡意利用,如創建虛假證明。

zk-STARK則直接利用生成隨機性的參數來驗證,不需要任何第三方的「答案系統」,因此透明度大幅提高。

2.抗量子計算機攻擊

zk-SNARK未來會輕易被量子計算機暴力破解。當然,量子計算何時到來還是個問題。

zk-STARK采用的是哈希函數碰撞的方法來證明,理論上量子計算機的暴力破解是無效的。

3.可擴展性

zk-SNARK的證明在鏈上更具可擴展性,zk-STARK在純鏈上似乎沒有優勢。

StarkWare官網宣稱是最快的,可能是因為zk-STARK允許鏈下進行大規模計算和存儲,然后在鏈上完成驗證,因此可擴展性顯著提升,而成本顯著降低。

總結

zk-SNARK技術被采用得最多,尤其是在以太坊擴容場景中。zk-SNARK主要是圍繞「隱私保護」去做身份、支付、DeFi、資產證明等各種應用。

zk-STARK雖然也在發展之中,但技術尚不成熟,至少在通用性上受限,所以我們看到大多是圍繞著「可擴展性」去做各種應用。

不過據StarkWare團隊在2022年的說法,已經解決了可擴展性,該把目標瞄準「隱私保護」了,而方式是通過StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分層的方式解決,這似乎與zk-STARK證明系統本身沒有直接關系。

至少就目前而言,大多數以太坊Layer2項目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都采用的是zk-SNARK技術路線,除了通用性上受限,還有一個原因是普遍反饋說zk-STARK的開發難度過大……

當然長遠來看,zk-STARK可承載的運算量更大,可能更有前景。

總的來說,zk-SNARK和zk-STARK的關系,有些像Optimisticrollups和ZKrollups的關系,前者短期利好,后者長期利好。

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