ARK:梳理ZK技術史：會是下一個千億應用的沃土嗎？

原文標題：《我們研究了 ZK 的技術史，發現下一個千億應用蘊藏其上》

原文作者：Web3 研究型組織 R3PO

加密世界的焦點經歷了比特幣、以太坊、DeFi、NFT、元宇宙和 Web3 的多次變遷，唯獨缺少對加密技術本身的關注，除了比特幣的橢圓曲線加密算法（ECC）還算有一點大眾認知度，其他加密算法基本停留在研究員和開發者的自嗨中。

R3PO 認為這不夠去中心化，會嚴重阻礙 Web3 的進一步擴展，密碼學是區塊鏈的基礎件，不應該被少數人掌握，而應走向更廣闊的領域。

R3PO 希望能用新的書寫范式去闡述術語的含義，兼顧專業性和可讀性，致力于為機構投資者、項目方發現潛藏在發展中的投資機會、創業方向和切入點，尋找到未被發掘的收益。

近期大熱的零知識證明技術仍是一個不斷發展、不斷革新的細分領域，但其技術本身又具備足夠廣闊的應用場景，因此對其進行全景梳理顯得十分重要。

零知識證明技術（Zero-Knowledge Proof）并非新概念，細細梳理可知，迄今已經經過 40 年的發展，誕生出多種模型和應用。

進入 Web3 時代，早在 2017 年，V 神便已經注意到 ZK 技術在以太坊上的使用潛力，而最近 Starkware 獲得 1 億美元的融資使其總融資額度達 2.25 億，這代表機構是以公鏈級別的估值和潛力來看待 ZK 技術。這將是一個長期鏖戰的領域，會暴露出更多的投資機會。

向后推演 20 年，R3PO 認為 ZK 發展至少具備一個甲子的生命長度，因此描繪整個 ZK 的發展歷程需要追本溯源，以更好地厘清其發展邏輯，尋找到下一步的潛在機會。

本系列首篇將會從零知識證明起步，超越 ZK 只能應用于 L2 領域的固有觀念，帶給大家全新的系統性認知。

24小時數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示，

BTC最新成交價格38950.61元，最高價達40466.33元，最低價格38256.95元，成交量2.98萬，跌幅0.35%；

ETH最新成交價格2729.89元，最高價達2912.58元，最低價格2681.68元，成交量21.86萬，跌幅0.59%；

BCH最新成交價格4356元，最高價達4619.23元，最低價格4272.2元，成交量4.09萬，跌幅0.94%。[2018/6/30]

對于財富的追求自古有之，項羽就說過：「富貴不還鄉，如衣錦夜行」，但太多的財富會引人覬覦，有沒有一種辦法，在既不暴露財富數量的同時又比較出財富的多寡呢？

1982 年，后來的圖靈獎得主姚期智便設想過這個問題，這就是著名的百萬富翁問題，省略其數學過程，其大致運作模式如下：

- Alice 和 Bob 選擇代表自己財富數量的數字 i 和 j，取值區間在 1-10 之間；

- Alice 對 i 進行單向加密，并將加密后的結果 k 發送給 Bob，Bob 得到一個與 i 相關的新值；

- Bob 對 k 進行運算后會得到一個新值 m，并將其傳遞回 Alice 此時，Alice 可以判斷 m 和 i 的關系。

- 這個過程可以繼續推演，雙方可在不完成信息暴露的前提下最終完成比較。

當然，以上過程并不全面，但足以說明一個問題，我們確實可以在兩方之間，并且在不暴露信息的前提下進行計算，如果將兩方擴展至多方，將區間擴展至更大范圍，那么這就是典型的多方安全計算 MPC (Secure Multi-party Computation) 問題。

24小時數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示，

BTC最新成交價格58483.74元，最高價達60137.53元，最低價格57498.75元，成交量1.17萬，跌幅-1.92%；

ETH最新成交價格4780.72元，最高價達4909.71元，最低價格 4623.78元，成交量12.78萬，漲幅3.11%；

BCH最新成交價格10230.58元，最高價達10694.19元，最低價格10162.47元，成交量2.18萬，跌幅0.97%。[2018/5/9]

百萬富翁問題是 ZK 討論的一個起點：

- 在不暴露財富信息的前提下，符合零知識的定義；

- 在不借助第三方進行評估的條件下，考察的是兩者或者參與方之間的直接交互。

1985 年，Goldwasser、Micali 和 Rackoff 首次提出 Zero-Knowledge Proof 模型，準確而言是「交互式零知識證明」模型，簡單而言就是允許在多次交互的前提下，通過 ZK 技術來驗證真假、大小。

此處的零知識并不完全準確，以 Alice 和 Bob 的互動為例，Alice 和 Bob 可以互為驗證者和證明者，但是兩者間傳遞的信息不能和財富數量本身有關，這里的零知識是指相關性為零，而并非不傳遞信息。

而交互式指的是可以多次進行交互，這個過程可以反復進行，直至得出正確結果。

至此，目前所熟知的 ZK 技術邁出了成型的第一步，接下來的一切發展，都是在其上的刪減增改。

早間創新幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示，

EOS最新成交價格73.21元，最高價達74.41元，最低價格72.16元，跌幅0.68%；

IOTA最新成交價格12.97元，最高價達13.83元，最低價格12.74元，跌幅1.01%；

DASH最新成交價格3173.61元，最高價達3337.11元，最低價格2926.68元，跌幅4.26%；

NEO最新成交價格481.50元，最高價達491.42元，最低價格470.90元，跌幅0.34%。[2018/4/24]

當時間來到 1991 年，Manuel Blum、Alfredo Santis、Silvio Micali 和 Giuseppe Persiano 提出非交互式零知識證明，聞名即可知，此次升級重點是進行非交互式的證明過程，也就是在雙方之間不進行交互的同時，驗證一個定理、假說的真偽性，這看似很反直覺，但是有一個絕妙的例子可以說明：

- Alice 和 Bob 財富自由后變身數學家。Alice 離開 web2 去環游 web3，期間 Alice 繼續 ZK 研究。

- 我們假設 Alice 能夠在發現一個新定理的證明時，給 Bob 寫一張明信片，證明她在研究中取得了新進展。

- 這是一個非交互式的過程，準確的說，它是一個單方向的互動：只從 Alice 到 Bob。即使 Bob 想回答，他也不可能。因為 Alice 沒有穩定的（或可預測的）地址，在任何郵件能到達她之前就會搬走。

- 我們約定，只要 Bob 收到郵件，我們不需要查看郵件內容，就可以確定「Alice 取得了研究上的新進展」這個命題為真。

非交互式零知識證明將交互次數減少到最多一次，可實現線下驗證和公開驗證，前者為 Rollups 奠定了有效性基礎，后者耦合區塊鏈的廣播機制，可避免多次計算帶來的資源浪費。

早間數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示，

BTC最新成交價格63021.84元，最高價達67912.37元，最低價格59555.58元，成交量8.06萬，跌幅6.71%；

ETH最新成交價格4840.03元，最高價達5024.27元，最低價格4593.38元，成交量17.38萬，跌幅2.81%；

BCH最新成交價格6938.64元，最高價達7108.93元，最低價格6854.44元，成交量0.59萬，漲幅0.10%；

ETC最新成交價格154.02元，最高價達157.63元，最低價格128.34元，成交量239.60萬，漲幅3.50%；

LTC最新成交價格1165.58元，最高價達1239.26元，最低價格1096.84元，成交量31.08萬，跌幅4.87%。[2018/3/10]

至此，我們目前見到的 ZK 便已經成為成熟理論模型，但此時的 ZK 更多是數學和密碼學領域的研究對象，和區塊鏈并無太多關聯，而在比特幣出現后，加密技術+區塊鏈才成為研究的方向，而 ZK 無疑是其中的佼佼者。

值得注意的是，中本聰本人并不排斥 ZK 技術在比特幣網絡的使用，更多的是當時的 ZK 技術不成熟，因此最終選擇了較為安全的 ECC 算法，而 ZK 本身可以直接應用到 Layer1 區塊鏈上，Zcash、Mina，以及以太坊的伊斯坦布爾升級都涉及到了零知識證明的相關領域。

在比特幣網絡出現后，安全和隱私成為人們對區塊鏈的最初認知。市場上出現了一系列基于隱私的公鏈和應用，如 Zerocash/Zcash 使用的 SNARKs，以及在 Monero 中使用的子彈證明 Bulletproofs（BP）等。

12小時數字貨幣行情梳理:根據Bitfinex交易平臺數據顯示，截止下午6點，BTC最新成交價格74933.95元，最高價達78428.01元，最低價格67113.61元，成交量10.12萬，跌幅3.22%；ETH最新成交價格3064.80元，最高價達3188.24元，最低價格2846.76元，成交量25.63萬，跌幅2.61%；BCH最新成交價格10868.33元，最高價達11150.34元，最低價格10589.34元，成交量12.47萬，跌幅0.61%；ETC最新成交價格191.52元，最高價達204.76元，最低價格179.57元，成交量67.38萬，跌幅5.24%；LTC最新成交價格657.57元，最高價達702.25元，最低價格616.03元，成交量42.81萬，跌幅3.68%。[2017/12/4]

2010 年，Groth 實現了首個基于 ECC 算法的，O(1) 常數級的 ZK。也即 ZK-SNARKs 或者 ZK-SNARGs。

- SNARGs: Succinct Non-Interactive Arguments

- SNARKs: Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge

從應用角度來說，此次改進在于「簡潔」Succinct 功能上，具體而言，SNARK 致力于壓縮信息本身的大小，在 ZCash 中，程序電路是固定的，因此多項式驗證也是固定的，這使得設置只需執行一次，交易后續只需改變輸入便可復用。

在 2013 年，Pinocchio 協議提升效率至分鐘級別證明，以及毫秒級別的驗證時間，開銷控制在 300 字節以內，這也是 ZK-SNARKs 技術真正首次落地到區塊鏈領域。

這證明了 ZK 技術可以在隱私場景上發揮作用，R3PO 判斷后續的隱私路線會具備脫離 L2 單獨存在的潛力，Aztec 證明了隱私 DeFi 路線的可行性，而在 tornado 被制裁后，鏈上金融隱私仍舊是強烈的剛需，這個方向的投資機會仍未被廣泛發掘，值得后續期待。

此外，隱私幣項目 Zerocash 進一步改進了相關算法，使用的是 SCIPR Lab 優化后的 zk-SNARKs 算法，在理論條件下，可以做到既隱藏付款來源、接受者和金額，并且交易可以控制在 1KB 以內，驗證時間在 6ms 之內。

Mina 不同于以太坊 L2，其是一條 L1 級別的高性能公鏈，其運行節點只有 22KB，而之所以能做到如此之小，在于其大幅度利用遞歸來證明 ZK 確認的有效性，即每一條信息都帶有之前的確認結果。

- Step1：zk-SNARKs 證明節點有效性，只需要保存其證明結果；

- Step2：通過遞歸調用，確保節點有效性的正確傳遞和檢索，不需要保留所有歷史數據，實現極致壓縮數據的效果；

傳遞結果的有效性，而非保存全節點數據，這是 Mina 證明行之有效的手段，而在以太坊 L2，ZK-Rollup 可以通過打包多次交易數據，結算一次的方式完成有效性證明，而進一步推演，L2 之上可以疊加 L3，或者 Dapp 應用，這些都是 ZK 可以發展的細分賽道，比如 dYdX 目前運行在 Starkex 之上，以及架構在 Starkware 之上的 L2 ImmutableX，都證明 ZK 的使用潛力，這個賽道的價值目前仍未被全部挖掘，仍留有長期的投資價值。

至此，ZK-Rollup 涉及所有的技術要件就已經基本齊備了，我們已經裝備好足夠的 ZK 基礎知識，并且可以總結 ZK 的以下特點：

- 非交互式：不需要多次驗證，只需一次驗證就可以廣播至全網；

- 零知識：不需要透露信息本身的特征，可在全網進行公開傳播；

- 知識：知識不是公開、易得的信息，必須具備獨特的價值，比如經濟價值、隱私價值等；

- 證明：證明由數學手段確認，安全性經過多年研究和實踐檢驗；

如果將這些技術特點組合起來，我們可以發現，ZK 天然適合 L2 擴容，并且又不局限于 L2，ZK 技術的其他應用會在后文中持續發表，歡迎大家繼續關注。

對比二者的差異，主要在于 STARK 中的 S 是 Scalability 之意，面向的是更加大型數據的復雜使用場景，但其整體上仍舊是一個正在發展中的技術路線。

本文不過多涉及具體 L2 之間的區別，但有一點很明顯，除 StarkWare 之外，其他的 L2 項目，包括 zkSync、Aztec、Loopring、Scroll 等都采用的是 SNARKs 技術路線。

究其原因，在于 STARK 的開發難度過大，目前只有 StarkWare 有能力進行自研，但其好處也十分明顯，相較于 SNARK，其可承載的運算量也會更大，在運行大型數據時，其安全性會更高，比如游戲、社交、NFT 等方向。

其次，STARK 路線具備抗量子攻擊的特性，這在未來十年具備顛覆行業格局能力的可能，比特幣采用的 ECC 算法并不能完全具備抗量子破解的可能，如果加入 zk-STARKs 技術，其安全性會顯著提高。

可以總結以太坊 L2 的格局，短期 Optimistic Rollup，5 年后 zk-SNARKs 路線，10 年后 zk-STARK 路線終將會勝出。

介紹完 zk-STARKs 之后，L2 擴容的全部技術特征便已完備，只缺少對 Rollup 的介紹，實際上，Rollup 利用的是 ZK 的驗證機制，而擺脫其對數據量的需求：在 L1 負責共識和結算的前提下，由 L2 負責應用的具體日常運營，用戶不需要和 L1 直接交互，其體驗會高度接近于目前的 App。

更進一步的說，Rollup 在完成信息的打包后，會將驗證后的信息加密成知識，隨后傳遞給 L1，以攻破安全性、去中心化和擴展性的不可能三角。

我們從百萬富翁問題出發，由 MPC 問題過渡到零知識證明領域，出于經濟原因，交互式的零知識證明不完全適用于鏈上活動，而非交互零知識證明逐漸成為主流。

隨著 Zcash 的發展，SNARKs 技術日漸應用到其中，使 ZK 技術從單純的密碼學研究對象變身為區塊鏈領域中使用的工程手段，在隱私、安全、效率方面發揮自己的作用。

以太坊擴容場景，則使 ZK 成就了 L2，Rollup 技術路線戰勝其他競爭對手，zk-STARKs 也逐漸發展起來，有望激活挖礦、GameFi、NFT 等更為普遍的使用場景。

在以太坊之外，越來越多的新模式已經逐步涌現，比如可定制模塊化 Rollup 路線，又如剛完成 1500 萬美元融資的 Eclipse，其路線圖會支持 Move 語言和 Solona 網絡，以及完成 3000 萬美元融資的 Scroll，其希望建立 EVM 等效的 ZK-Rollup。

新故事背后的驅動力是對 ZK 技術的認可，廣泛來說，ZK 是一個「大而全，長而遠」的領域，大額融資消息的不斷傳出也說明市場對其接受度在逐步走高，但總體而言，這還是一個新領域，即使僅論其技術路線，也有「內卷」的流派，而其中的投資機會則長期存在，無論是內嵌入底層基礎設施，還是落地于具體應用場景，需要我們不斷去發掘。

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