BOB:ZKSwap團隊解讀零知識證明算法之Zk-stark——Arithmetization

前言

本系列的第一篇文章，以Zk-snark做對照，分別從概念和算法流程上，做了概括性的介紹。建議在閱讀本篇文章之前，先閱讀下第一篇文章的內容。本篇文章，讓我們由淺入深，一起踏上探索Zk-stark算法奧秘的旅途。

回顧

在第一篇的文章中講到，Zk-stark算法大體可以分為兩個部分：Arithmetization和LowDegreeTesting。本篇我們先詳細介紹算法的第一階段Arithmetization。Arithmetization的整體步驟如下圖所示：

那什么是Arithmetization？具體過程又是什么呢？帶著這些疑問，讓我們仔細的品味文章后面的內容。

首先，什么是Arithmetization？

Arithmetization就是把CIstatement轉化成正式的Algebraiclanguage的過程，此步驟有兩個目的：第一，把CIstatement以簡潔清晰的方式呈現出來；第二，把CIstatement嵌入到代數域，為后面多項式的轉換做鋪墊。Arithmetizationrepresentation主要由兩部分組成：第一，執行軌跡；第二，多項式約束。執行軌跡是一個表，表的每一行代表一個單步的運算；多項式約束的構造是和執行軌跡相輔相成的，即當前僅當執行軌跡是正確的，多項式約束會滿足執行軌跡的每一行計算。最后把執行軌跡和多項式約束結合組成一個確定的多項式，然后對多項式進行LDT驗證。至此，驗證CIstatement的問題轉換成了驗證確定性多項式LDT的問題。

德州眾議院推進黃金支持的數字貨幣法案:金色財經報道，德克薩斯州眾議院委員會已經開始討論一項法案的第一步，該法案創建了一個100%由黃金標本支持的數字貨幣。如果頒布為法律，德克薩斯州眾議院委員會正在討論的該法案將為用戶創建一個電子系統，以用這種數字貨幣進行交易和支付，并允許他們執行贖回支持它的黃金標本或硬幣。該貨幣的贖回將以黃金實物或貨幣形式處理，由州主計長或簽約的第三方管理這些贖回。據估計，該法案的實施將使該州在有限的系統中花費2500萬美元，而一個功能更強的交易系統將花費高達1億美元的資金。

然而，該法案已經成功地得到基層的支持，4月26日推出了一份78頁的文件，該文件由幾位德克薩斯州人簽署，呼吁批準這項健全的貨幣法。[2023/5/6 14:47:05]

Arithmetization

知道了Arithmetization的整體流程，接下來，我們討論下具體的過程。為了便于理解，我們用一個簡單的例子，來貫穿整個Arithmetization的過程。每個人都去過超市，一般超市的收據的內容如下：

數據：2022年全球加密貨幣持有者增長39%:1月19日消息，根據Crypto.com的一份新報告，與2021年相比，2022年全球加密貨幣持有者增長了39%。加密貨幣持有者總數從2021年底的3.06億增加到2022年底的4.25億。這對該行業來說是一個積極的發展，因為2022年總體來說是熊市。比特幣（BTC）持有者數量從1月份的1.83億增加到12月的2.19億，增長了20%。此外，BTC是持有者最多的資產，占全球加密貨幣持有者的52%。[2023/1/19 11:21:31]

現在，好萊塢人氣演員Bob聲稱："thetotalsumweshouldpayatthesupermarketwascomputedcorrectly"。那怎么驗證呢？其實很簡單，這時另一個氣人演員Alice只要對著收據，每一項累加求和就可以完成驗證。那么，這只是一個很簡單的例子，事實上，Alice只需要5步，就可以完成驗證過程。試想這樣一個場景：畢竟Bob很有錢，在超市買了1000000樣東西，同樣，他又聲稱："thetotalsumweshouldpayatthesupermarketwascomputedcorrectly"，這時候，Alice真的生氣了，這怎么驗證，按照之前的辦法，得大約要算1000000步，鬧呢？誰愛干誰干。Bob心里也心疼Alice，畢竟那么多年了。心想，有沒有什么牛掰的辦法能讓Alice用很少的步驟，就能確信我說的是對的呢？于是，Bob開動了最強大腦模式。下面，讓我們用上面簡單的例子，跟隨Bob去尋找這個牛掰的辦法。

報告：Alameda在清算中損失資產超過100萬美元:金色財經報道，根據加密情報公司Arkham與The Block分享的一份報告，陷入困境的加密交易公司Alameda Research因清算損失了超過100萬美元的資產。[2023/1/15 11:12:21]

Bob心想，你不就是驗證最終的總和對不對么？那我就把總和的計算過程列出來，我保證每次的累加都對，那么我最終的結果一定也是對的。于是Bob在收據上新增了一列，用來保存計算總和過程中的中間值，這就是執行軌跡。新增的一列值需要滿足，初始化的值為0、最終的值和要付的總和相等、中間的每一個值都要等于上一個值加上上一行物品的單價，這構成了多項式約束。從圖2可以看出：

多項式約束總共有3個，兩個是邊界約束，一個是循環約束；多項式的大小和執行軌跡的答案小沒有關系，即表格的長度即使擴大到1000000，最終的多項式約束仍是這三個，唯一變化的是變量x的取值范圍而已。在這里，借用V神的話來描述一下Zk-stark：Zk-Stark不是一個確定性的算法，它是一大類密碼??數學結構，對于不同的應用，具有不同的最優設置。可以理解為，對于不同的問題，具有不同的算術化的方案，因此要做到具體問題具體分析。但是有一個共同目標就是，無論是什么問題，得到的執行軌跡最好是用一個LOOP就可以表示，這樣得到的多項式約束也就最為簡潔。多項式約束的個數和形式直接影響到了proof的大小和Zk-stark算法的性能，因此，尋找一個最優的設置對于Zk-stark算法顯得尤為重要。回歸到主題，現在Bob已經得到了多項式約束和執行軌跡，那么如何把它們轉換成一個確定的多項式呢？請看下圖：

Fractional更名為Tesser并完成2000萬美元A輪融資，Paradigm領投:金色財經報道，NFT碎片化協議Fractional宣布已更名為Tesser，并完成2000萬美元A輪融資，Paradigm領投，Uniswap Labs Ventures、Focus Labs、eGirl Capital、Yunt Capital等參投。

隨著V2協議的即將推出，新改名的Tessera將為用戶提供一個NFT，代表他們購買的更有價值的NFT的所有權份額。

Tessera計劃在10月左右推出更廣泛的協議之前，開始推出其v2平臺，重點是以太坊NFT項目Nonnons。Tessera還將探索潛在的第二層擴展解決方案，以降低交易費用。（Decrypt）[2022/8/18 12:32:17]

Bob首先把關注點切到執行軌跡，可以看到執行軌跡有2列，一列是單項價格，一列是價格總和，我們分別對兩列的元素進行拉格朗日插值，得到兩個函數f(x),w(x)，0≤x≤5。分別對兩個函數進行域擴展，得到了在更多的點上的評估，即f(x)，w(x)，0≤x≤10000。

Terra Builder Alliance發布Terra 2.0提案:5月18日消息，Terra Builder Alliance（建設者聯盟）發布Terra 2.0鏈愿景統一提案。稱本提案的目標是： 1. 確保建設者得到適當的激勵 2. 盡可能多地保留當前的LUNAtics 3. 將盡可能多的新LUNAtics帶入網絡。參與起草本提案的主要利益相關者有：建設者生態系統；驗證者；基礎設施團隊；做市商；風險投資和其他各種重要利益相關者。均已表示支持該計劃。該提案已得到 TBA 和 TFL 的認可。并計劃于5月27日啟動Terra 2.0網絡。[2022/5/18 3:25:26]

然后，Bob把f(x)，w(x)和多項式約束等式結合，得到一組確切的多項式約束(圖中紅色圈2所示)，以循環約束多項式為例：

1≤x≤5w(x)-f(x-1)-w(x-1)=0(1)

令Q(x)=w(x)-f(x-1)-w(x-1)，則有Q(1)=0、Q(2)=0、Q(3)=0、Q(4)=0、Q(5)=0。

根據已知事實，度為d的多項式H(x)在x=n處為0，則存在一個度為d-1的多項式H(x),滿足d(H(x))=d(H(x))-1&&H(x)=H`(x)*(x-n)

因此對于Q(x)，度為5，存在一個多項式Ψ(x)，度為0，即常量，滿足Q(x)=Ψ(x)*(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)(x-5)，令目標多項式T(x)=(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)(x-5)，度為5，則有：

Q(x)=Ψ(x)*T(x)(2)

驗證者Alice從0≤x≤10000隨機選擇一點a，發送給證明者Bob，要求Bob返回相應的值，以公式(2)為例，Bob需要返回w(a)、w(a-1)、f(a-1)、Ψ(a)，然后Alice判斷等式是否成立，即：

w(a)-f(a-1)-w(a-1)=Ψ(a)*T(a)(3)

如果等式成立，則Alice大概率相信執行軌跡是正確的，那么原始計算成立。假如驗證者Bob作惡，講表格中的4.98改成5.98把，那么Q(1)=w(1)-w(0)-f(0)=5.98-0-4.98=1，不等于0。在這種情況下，觀察公式(2)，等式右邊為Q(x)，度為5，x=1不是零點；等式右側Ψ(x)*T(x)，令G(x)=Ψ(x)*T(x)，度為5，因為T(x)在x=1處是零點，所以G(x)在x=1處也是0點，因此，等式兩邊實際上是度相等的不同多項式，其交點最多為5個，因此在0≤x≤10000范圍內，只有5個值相等，9995值是不等的，因此隨機的從0≤x≤10000中選擇一個值，驗證不通過的概率是99.95%，如果域擴展的范圍更大，則驗證不通過的概率將會更接近于1。按照同樣的邏輯，分別處理邊界約束多項式，得到的結果如圖所示。

下面，我們講討論如何增加零知識屬性。

對于證明者Bob來講，執行軌跡是不希望被驗證者Alice看到的，因為它會包含一些重要的信息，因此，限定驗證者Alice只能從6≤x≤10000范圍內隨機選擇一個值，進行驗證，當然這種限定，雙方都是同意的。

存在這樣一類問題。當驗證者Alice收到證明者Bob反饋的值時，如何保證這些值是合法的，確實是通過多項式的形式計算，并且這些多項式是小于某個度的，而不是證明者Bob僅僅為了驗證通過，而生成的隨機值？比如如何確保w(a)、w(a-1)、f(a-1)、Ψ(a)是多項式w(x)、f(x)、Ψ(x)分別在x=a&&x=a-1上的取值呢，且多項式w(x)、f(x)、Ψ(x)的度小于某個固定值的呢？這些問題將在下一篇文章中給出答案，在此之前，不如先討論一下，為何多項式的度小于某個固定值就能證明原始執行軌跡式正確的呢？

從以上的例子中，可以看出，當且僅當執行軌跡是正確的時候，Q(x)才會在x取值為1、2、3、4、5時，等于0。那么Q(x)才可以被目標多項式T(x)整除，即：Ψ(x)=Q(x)/T(x)，d(Ψ(x))=d(Q(x))-5。

從圖3可以看出，需要驗證的多項式的個數時5個(紅色圈4所示)，如果對每一個多項式都進行LDT，那么消耗是很巨大的，因此，可以通過將這些多項式進行線性組合(紅色圈5所示)，當且僅當每個多項式都滿足小于某個度時，其線性組合后的多項式也是小于某個度的，這個條件時充分的，具體的細節見后續的系列章節。

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