ARK:我們研究了 ZK 的技術史 發現下一個千億應用蘊藏其上

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α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。

1982：財不外露，便分高低 

鮑威爾：美國證交會對數字資產的決定我們正在考慮:6月22日消息，美聯儲主席鮑威爾表示，托管資產一直都不在縮表范圍內；美國證交會對數字資產的決定我們正在考慮。（金十）[2022/6/22 1:24:52]

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。

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。

1985：零知識證明面世 

聲音 | 維基百科創始人：區塊鏈技術對我們而言毫無用處:日前，維基百科創始人Jimmy Wales就是否采用區塊鏈技術進行了表態：“我們已經存儲了數據。就在數據庫中，這樣就挺好的。”此外，比特幣交易會留下記錄和區塊鏈技術可以幫助維基百科對抗非法內容的說法也沒有動搖他。他還表示：“記錄可以更改非常重要，刪除該功能是很糟糕的。”據此前消息，近日，BSV宣布將邀請Jimmy Wales在倫敦的CoinGeek大會上發表主旨演講。這一消息引發了一陣猜測，許多人認為維基百科可能會與BSV合作。對此，Jimmy Wales辟謠稱：“你的營銷材料需要立即更新——因為人們似乎把這看作是我的某種背書。我要說的是，BSV對維基百科毫無貢獻，我們使用它的可能性為零。”（CryptoSSlate）[2020/2/11]

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。

1991：非交互式零知識證明 

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：

Visa：我們與Coinbase的額外扣費行為無關:對于近期的Coinbase用戶被額外扣費的行為，Coinbase聲稱是Visa的系統出現問題使得用戶蒙受損失。Visa發言人對此作出了回應：“Visa沒有做任何的會導致多重轉賬的系統更改，我們也不知道有任何其他的商家出現同樣的問題。”[2018/2/17]

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。

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。 

中國首席經濟學家論壇理事魯政委：比特幣可能帶給我們無紙化的數字貨幣運行和更方便的跨國匯兌:興業銀行、華福證券首席經濟學家，中國首席經濟學家論壇理事魯政委稱只要有人愿意為比特幣付錢，它就是有價值的，但由于其去中心化的特征，無法為政府帶來鑄幣稅，沒有國家政權保證其信用，因此不可能成為法定貨幣。不過魯政委同時表示，比特幣更大的價值在于它們為未來數字貨幣的發行做了重要探索，讓我們看到了無紙化的數字貨幣運行和更方便的跨國匯兌的可能。[2018/1/9]

2010-2014 Zcash: SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) 實用化場景 

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。

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。

歐盟委員：我們不會監管比特幣:歐盟經濟、金融、稅務及海關事務委員莫斯科維奇表示，歐盟雖然在分析研究比特幣，可是并沒有監管相關市場及交易所的決定或商討。而且比特幣并不是另類貨幣。然而歐盟委員會金融穩定、金融服務、資本市場副主席Valdis Dombrovskis則敦促監管機構提醒加密貨幣投資風險。[2017/12/26]

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：遞歸ZK壓縮數據 

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。

 雙龍會：STARK終將取SNARK而代之

ZK-STARK：開發難度以10年計的種子選手 

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。

ZK-Rollup：數據的上探，信息的下鉆 

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。

總結

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。

作者：R3PO

來源：鏈捕手

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