ZKP:深度探討Web3時代的ZKP如何邁向主流？

原文標題：《ZKPsinWeb3:NowandtheFuture》

原文作者：MohamedFouda、QiaoWang

原文編譯：Frank，ForesightNews

零知識技術是一種推動技術，不僅將改變Web3，還將改變其他行業。

作為一種足夠通用的技術，ZK可以擁有多種用例，而我們正處于弄清楚該技術可以實現的所有用例的早期階段。一些明顯的ZK用例已經找到了真正的應用，例如實現交易隱私和數據壓縮，然而要讓ZK被主流采用，仍然需要發掘進一步的潛在用例和技術進步。

本文我們將首先回顧ZKP的不同應用，然后將討論什么可以實現這項技術的下一階段，以及一些可以從這項技術中受益的創業想法。

ZKP的應用地圖

自發明以來，零知識證明已在加密行業站穩腳跟。

ZKP確實存在一些魔力，使這項技術非常令人興奮——它允許實體向世界其他地方證明自己知道一條信息或已經正確完成了一項任務，但卻無需透露該信息或顯示該任務的詳細執行信息。

ZK的數學魔力允許我們通過檢查生成的ZKP來信任該知識或任務已執行完畢，出于這個原因，ZKP的第一個也是最一致的用例就是以隱私為中心的加密網絡，ZKP還被用于提供以太坊L1上關于L2交易的有效性證明，以引入ZKRollup的概念，此外ZKP在不同的項目中也被廣泛應用于其他小眾應用程序。

注重隱私的支付和協議

ZKP自然而然地實現了隱私特性，特別是在去中心化網絡中，人們缺乏可以充當真相來源的中心化權威——ZKP允許Web3用戶向網絡驗證者證明他們的交易是有效的，即他們有足夠的余額可以花費，而無需透露交易細節，例如交易金額、發送者或接收方地址。

ZKP最初是為了支持Zcash網絡中的隱蔽支付而開發的，隨后擴展到了其他網絡，包括：

注重隱私的L1：Zcash、Horizon、Aleo和IronFish；

一般鏈上的隱私智能合約：TornadoCash；

《交通強國建設寧夏試點任務實施方案》：推動區塊鏈與交通運輸深度融合:金色財經報道，交通運輸部近日批復《交通強國建設寧夏試點任務實施方案》，《方案》指出將推動區塊鏈等新技術與交通運輸深度融合，實現數據信息資源跨部門、跨區域間共享與協同應用。[2021/9/8 23:09:55]

注重隱私的L2：Aztec；

ZKRollups的驗證

ZKP的另一個主要用例是在底層L1上生成Rollup有效性證明，通用Rollup通過不利用ZKP的隱私功能來優化吞吐量，即證明更多的交易，在這種權衡中，ZKP僅用來證明L2交易執行的正確性。

由于一些通用函數不能被有效地證明，因此生成ZKP來證明任意智能合約的正確執行是很困難的，解決這個問題需要實現專門的虛擬機，這些VM可以使用底層ZK電路有效地進行驗證。由于這種復雜性，ZKRollup最初只支持支付或單個應用程序，例如可以很容易地生成ZKP的DEX。

這里的例子包括zkSync1.0和Loopring，之后通用的zkEVM實現開始出現在市場上，包括Starknet、zkSync2.0、PolygonzkEVM和Scroll。目前所有ZKRollup都在以太坊上，但其實也可以在包括比特幣在內的其他鏈上實現ZKRollup。

然而，比特幣Rollup的實施將需要更改比特幣操作碼并進行鏈的硬分叉，這通常不受比特幣社區的歡迎。

其他ZKP應用

除了注重隱私的應用程序和Rollup之外，ZKP還在其他區塊鏈協議中進行更廣泛方面的應用。

Mina

Mina使用ZKP將區塊鏈狀態壓縮成很小的規模，為了實現這一點，Mina使用遞歸ZKP，即其他ZKP的ZKP。

當在Mina網絡中生成一個區塊時，zk-SNARKs被用來生成該區塊的證明，以確保其有效性；當新的區塊引用以前的區塊時，新區塊的ZKP會驗證所有以前的區塊，同時保持恒定的大小。

Filecoin

HBTC霍比特與TRON波場達成深度合作:據HBTC霍比特（原BHEX）交易所官方消息，HBTC霍比特已與TRON波場達成深度合作，雙方將攜手共創DeFi和匿名生態的發展。目前，HBTC霍比特已上線TRX和BTT，并且在未來將陸續上線WIN、JST、USDJ。

HBTC霍比特交易所是100%持幣者共享的交易平臺，由火幣、OKEx等56家優質資本共同投資。經過近兩年時間的平穩運行，HBTC霍比特能夠為客戶提供幣幣、合約、期權等業務，并且平臺上主流幣及合約交易擁有行業頂級的流動性和深度。

波場TRON致力于為去中心化互聯網搭建基礎設施。旗下的TRON協議是全球最大的基于區塊鏈的去中心化應用操作系統協議之一，為協議上的去中心化應用運行提供高吞吐，高擴展，高可靠性的底層公鏈支持。波場TRON還通過創新的可插拔智能合約平臺為以太坊智能合約提供更好的兼容性。[2020/7/7]

Filecoin使用ZKP來確保存儲提供商正確存儲他們聲稱要存儲的數據，此過程稱為復制證明。

在此過程中，存儲提供程序生成ZKP以證明它們正在存儲數據的唯一副本，即非由其他存儲提供程序維護的副本。ZKP為希望實現一定冗余和可用性水平的Filecoin用戶提供了保證，此外由于證明的大小比存儲的數據小得多，因此使用ZKP可以降低存儲提供程序的帶寬要求。

CeloPlumo

CeloPlumo使用ZKP來創建可在手機和其他資源有限的設備上使用的超輕量級網絡客戶端，盡管客戶端具有輕量級性質，但它可以保證其訪問狀態的正確性。

DarkForest

DarkForest是ZKP在游戲領域最受歡迎的應用。盡管ZKP的使用符合隱私用例，但DarkForest在支付網絡中的金融應用之外，將它用于創建一個不完全信息游戲的應用，所以這是一個與眾不同的用例。

ZKP的發展軌跡及其應用

2016年之前，ZKP作為一個研究課題，只在少數的學術圈子里討論。當Zcash創始團隊創建第一個ZKP變體以支持Zcash網絡中的屏蔽/私有交易時，一切開始改變。

聲音 | 國網周自強：形成和電力系統深度融合的區塊鏈架構深遠影響:據中國電力新聞網消息，11月7日下午，由國網信通產業集團和華北電力大學聯合主辦的“區塊鏈技術在電力場景中的應用”技術論壇在京召開。國網浙江省電力有限公司電力科學研究院副院長周自強表示，“電網企業在應用區塊鏈技術時，應該避開區塊鏈的金融應用，聚焦電網主營業務。目前國內外對區塊鏈技術的應用還主要停留在金融方面，尚未進行二次重構，形成和電力系統深度融合的區塊鏈架構，這是未來區塊鏈和能源系統融合的主要發展方向，并且將對能源行業產生深遠影響。”[2019/11/15]

有了真正的用例，大家對ZKP的興趣就越來越大，這進一步導致了更好的ZKP變體，從而成為第一章節中討論的許多項目的基礎，然而該技術需要進一步的ZKP開發才能被主流采用。

為了了解如何進一步改進技術，我們可以向人工智能等類似技術學習，因為在許多方面ZKP技術類似于AI技術，所以預計它也將遵循類似的軌跡。

與ZKP一樣，AI最初是一項有前途的技術，可以解決許多問題。然而最初的AI算法在功能上受到限制，并且計算復雜性遠遠超過了可用硬件的能力，這使得AI應用進展緩慢且不切實際，從而主要被局限于研究實驗室。

后續通過發明深度神經網絡等新架構和利用GPU提高執行速度，AI持續實現逐步改進，最終導致了突破，例如2012年的AlexNet在最著名的計算機視覺競賽ImageNet中以巨大的優勢獲勝。AlexNet是AI時代的開始，它導致了當前令人興奮的AI應用程序，如GPT-3、Dall.E2和StableDiffusion。

今天的ZKP狀態類似于早期的AI狀態，這是一項有前途的技術，仍在積極開發中，并且因計算密集型特性而導致證明時間很長。從AI的進步軌跡中學習，我們可以確定ZKP技術起飛需要解決的瓶頸。

1.算法/電路改進

就像AI從LeNet-5到AlexNet，從Resnet-50到Transformer一樣，ZKP算法也將經歷開發階段以顯著提高性能。我們已經看到這方面的進展，自2011年引入zk-SNARKs以來，行業已經開發了更先進的算法。

華爾街財富管理研究院合伙人蔡宇：我們處在區塊鏈深度泡沫中:金色財經現場報道，在2018世界制造業大會區塊鏈技術與產業融合應用論壇上，華爾街財富管理研究院合伙人蔡宇表示，泡沫是豐富營養的，對于區塊鏈泡沫大家非常淡定，我們處在深度泡沫中，而且我們希望泡沫越來越大。目前全球有20億游戲玩家，區塊鏈用戶只占2000萬不到。[2018/5/26]

譬如2018年Starkware創始人開發的STARK，這是一種不需要可信設置且證明生成時間更短的ZKP方法，這項技術是Starkware旗下StarkNet在內的幾款產品的基礎。

隨著在2019年引入PLONK，ZKP繼續取得進展——PLONK是一種SNARK實現，允許許多應用程序使用單個受信任的設置，而無需重復設置。PLONK刺激了多種ZKP實現的開發，被多個Web3協議使用。

2.執行引擎優化

ZKP的一個主要限制是計算復雜性導致較長的證明時間。例如最近宣布的PolygonzkEVM，需要在64核服務器上運行大約5分鐘才能生成50萬Gas計算的證明。

縮短ZKP驗證時間是將ZKP技術納入主流的關鍵部分，與AI類似，優化軟件執行引擎和使用專用硬件都是實現這一目標的必要條件。

優化的軟件

許多ZKP生成操作都是大規模并行的，這意味著并行處理可以加速ZKP計算。專用的GPU庫可用于加速NvidiaGPU上ZKP的計算，由于每個項目都使用不同的ZKP算法，因此有幾個項目正在嘗試在內部進行開發。

一個值得注意的例子是Filecoin對Groth16算法的實現，該算法使用GPU來加速證明過程；另一個例子是Edgeswap使用GPU將PLONK的驗證時間縮短了75%。

專用硬件

由于GPU對ZKP驗證時間的改進通常是有限的，因此另一種選擇就是使用專用硬件，例如FPGA或ASIC。

在制造專用芯片的昂貴努力之前，FPGA通常被認為是硬件原型設計平臺。FPGA或結合GPU和FPGA的混合解決方案，可以在中短期內加速ZKP應用于Rollup和注重隱私的網絡。

摩根士丹利分析師深度報告全解析：比特幣“見底”規律及六大必讀趨勢:摩根士丹利分析師Sheena Shah 19日發表最新研報。主要觀點包括：今天正在經歷的比特幣熊市早就在2000年的納斯達克市場上演過，只不過是以15倍速度在“快進”；熊市看到唯一交易量增加的數字貨幣可能就是USDT，盡管USDT的可靠性遭遇廣泛質疑，因為交易員們面對各種幣的大跌只能暫時先買回USDT；日元升值可能促使日本散戶增加對比特幣的投資；千幣齊跌，但區塊鏈行業依舊火熱，對于傳統VC來說，參與ICO也有三大好處；比特幣與其它幣之間的相關性隨價格下跌而上升，市場上漲時，它們的相關性反而下降；比特幣在不同交易所的價差顯示，價格觸底反彈的日子，價差會有規律的突然拉大。[2018/3/20]

然而如果ZKP技術發展到我們預期的水平，ASIC最終將贏得這個市場。目前ZKP的硬件加速尚未得到充分解決，這可能是因為ZKP算法的多樣性和碎片化，但是我們相信通過正確的商業模式，一些初創公司可以專注于開發和貨幣化這部分技術堆棧。

3.軟件抽象層

為了釋放ZKP的潛力，需要構建多個抽象層和工具，這些抽象對于簡化ZKP應用程序的開發過程是必要的——允許每組開發人員專注于他們最擅長的事情，例如應用程序開發人員不應該擔心ZK電路的底層細節以及它們是如何工作的。

再次使用AI類比，通過創建多個抽象層，AI可以取得巨大進步。使用這些抽象，AI應用程序開發人員無需擔心NN架構或硬件資源分配，因為TensorFlow和PyTorch等框架抽象出了所有這些底層細節。

ZK開發堆棧還沒有像AI堆棧那么完善，但是仍有一些努力來構建這些抽象層：堆棧的底部存在低級ZKP庫，如PLONK和STARK；在該層之上，諸如Noir之類的高級語言試圖抽象出底層的ZK密碼學，并幫助應用程序開發人員專注于應用程序邏輯；Circom是另一種流行的ZKP語言，位于這兩層之間，因為它既可用于創建復雜的ZK后端，也可用于開發基于ZKP的應用程序。

Web3中ZKP抽象的另一個例子是StarkWare的Cairo語言，它允許開發人員實現在底層使用STARK證明的通用智能合約。為了提供進一步的抽象，Nethermind的Warp工具允許Solidity開發人員將他們的Solidity代碼直接轉換為Cairo。

譬如使用Warp，可以將UniswapV3代碼轉譯為Cairo，且只需對原始Solidity代碼進行最少的更改。

ZKP的創業機會

基于對ZKP可能發展路徑的討論，我們確定了一些與ZKP相關的創業想法，主要理念分為兩類：工具和應用。

ZKP工具

1.高級開發框架

與AI中的Tensorflow和PyTorch類似，高級ZKP開發框架對于在應用程序級別實現創新至關重要。這些框架需要：

將底層ZKP后端的復雜性抽象出來；

支持各種ZKP后端和硬件環境，例如CPU和GPU；

允許高效的調試和測試；

提供包含示例和教程的豐富開發環境；

以太坊生態系統中最接近的例子是Hardhat和Foundry，但它們不太可能很快支持zkEVM或ZKP，相反，像Cairo這樣的現有抽象工作，最終可能會發展到填補這個空間。

2.ZKRollupSDK

ZKRollup越來越受歡迎，可以為游戲或高吞吐量DeFi協議啟用特定于應用程序的L2。在這種情況下，ZKRollup主要負責執行和結算，而共識和數據可用性將由L1處理。

但是啟動特定于應用程序的ZKRollup仍然非常復雜，我們相信提供對開發人員友好的SDK來啟動自定義ZKRollup的初創公司將解決真正的業務需求，并可以通過提供開發工具箱、開發人員服務、排序器服務和支持基礎設施來成為價值業務。

3.ZKP硬件加速器

以特定用例為目標并建立早期市場領先地位的專業硬件公司最終成為具有巨大價值的公司，人工智能就是如此——Nvidia通過專注于人工智能硬件成為最有價值的北美半導體公司。

在比特幣挖礦領域也是如此，當時比特大陸、嘉楠科技和Whatsminer通過專注于ASIC礦機而成為獨角獸，而設計和制造高效ZKP硬件加速器的公司也將遵循相同的軌跡。

ZKPWeb3應用程序

1.ZK跨鏈橋和互操作性

ZKP可用于為跨鏈消息傳遞協議創建有效性證明，其中跨鏈消息可以在目標鏈上快速驗證，這類似于在底層L1上驗證ZKRollup的方式。但是對于跨鏈消息傳遞，復雜性更高，因為要驗證的簽名方案和加密函數在源鏈和目標鏈之間可能不同。

2.ZK鏈上游戲引擎

DarkForest證明了ZKP可以使信息不完全的鏈上游戲成為可能，這對于設計更具互動性的游戲至關重要，在這些游戲中玩家的行為在決定公開之前是保密的。隨著鏈上游戲的成熟，我們預計ZKP將成為游戲執行引擎的一部分，因此對于成功將隱私功能集成到高吞吐量鏈上游戲引擎中的初創公司來說，機會巨大。

3.身份解決方案

ZKP可以在身份領域創建新的機會，譬如用于創建聲譽或連接Web2和Web3身份，目前我們的Web2和Web3身份是分開的，像Clique這樣的項目通過使用預言機連接這些身份。

ZKP可以通過啟用Web2和Web3身份的匿名鏈接來進一步采用這種方法：可以為那些可以使用Web2或Web3特定領域專業知識的人，提供匿名DAO成員資格等場景的用例；另一個用例則是基于借款人的Web2社會地位，提供無擔保Web3貸款。

4.符合法規要求的ZKP

Web3使匿名在線帳戶能夠積極參與金融系統，從這個意義上說，Web3實現了巨大的財務自由和包容性。隨著Web3法規的增加，ZKP可在合規的基礎上不破壞匿名性，譬如ZKP可用于證明用戶不是受制裁國家的公民或居民，ZKP還可用于證明合格投資者身份或任何其他KYC/AML要求。

5.原生Web3私募債務融資

TradeFi債務融資通常用于支持成長中的初創公司加速增長或啟動新的業務線，而無需籌集額外的風險資金。

Web3DAO和匿名公司的興起為Web3原生債務融資創造了機會，例如使用ZKP，DAO或匿名公司可以根據其增長指標的證明，以具有競爭力的利率獲得非抵押貸款，而無需向貸方透露借款人的信息。

6.私有DeFi

金融機構通常會對其交易歷史和風險敞口進行保密，但由于區塊鏈分析的不斷發展，當使用鏈上產品時，要滿足這一點就十分具有挑戰性，一個可能的解決方案是開發以隱私為中心的DeFi產品，以保護協議參與者的隱私。

譬如Penumbra的zkSwap，此外Aztec的zk.money通過模糊用戶參與的DeFi協議操作，也提供了一些私有DeFi賺錢機會。

一般來說，成功實施高效且注重隱私的DeFi產品的協議，可以從機構參與者那里獲得可觀的用戶數量和收入。

7.基于ZKP的Web3廣告

Web3推動用戶對其數據的所有權，例如瀏覽歷史記錄、私人錢包活動等，Web3還可以使這些數據貨幣化以造福用戶。由于數據貨幣化可能與隱私相矛盾，ZKP可以在控制個人數據的哪些方面可以向廣告商和數據聚合商披露方面發揮重要作用。

8.私人數據的共享和貨幣化

如果與正確的實體共享，我們的大部分私人數據可能都會產生很大的影響。譬如個人健康數據可以眾包，以幫助研究人員開發新藥；私人財務記錄可以與監管機構和監管機構共享，以識別和懲罰腐敗等等；ZKP可以實現此類數據的私人共享和貨幣化。

9.去中心化的情報組織

ZKP可以催生去中心化的情報組織。在這些系統中，情報人員、數據偵探和間諜可以成為網絡的一部分，而無需互動或相互了解。參與者可以在接收私人付款以換取該數據之前，使用ZKP來證明對某些情報數據的了解。此類系統還可以促進協作和可組合的方式，以豐富或解釋收集的數據，同時保持參與者的隱私。

10.私人治理

隨著DAO和鏈上治理的激增，Web3正在向直接參與的民主靠攏，當前治理模式的一個主要缺陷是參與的非隱私性。ZKP可能是解決此問題的基礎，治理參與者可以在不透露他們如何投票的情況下投票。此外ZKP可以將治理提案的可見性限制為DAO成員，從而使DAO能夠建立競爭優勢。

結論

ZKP技術是Web3?領域最具創新性的技術之一，它為突破性的協議和公司提供了多種機會。

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