Разгасяване на нулевите знания: Кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs): Как те позволяват безопасно, частно и ефективно доказателство в съвременната криптография

• Въведение в доказателствата с нулеви знания
• Какво представляват zk-SNARKs? Основни концепции и терминология
• Как работят zk-SNARKs: Основните криптографски принципи
• Ключови свойства: Краткост, неинтерактивност и нулеви знания
• Приложения на zk-SNARKs в блокчейн и извън него
• Сигурност и ограничения
• Наскоро напредване и бъдещи насоки в изследванията на zk-SNARK
• Заключение: Влиянието на zk-SNARKs върху поверителността и проверката
• Източници и референции

Въведение в доказателствата с нулеви знания

Доказателствата с нулеви знания (ZKPs) са криптографски протоколи, които позволяват на едната страна (доказателя) да убеди друга страна (проверяващия), че едно твърдение е вярно, без да разкрива никаква информация извън валидността на самото твърдение. Сред най-advanced и широко прилагани форми на ZKPs са нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs). zk-SNARKs се характеризират с краткост (много кратки доказателства), неинтерактивност (изискват само едно съобщение от доказателя до проверяващия) и способността да доказват ефективно знанието за решение на изчислителен проблем, без да разкриват самото решение.

Развитието на zk-SNARKs оказа дълбоко влияние върху поверителността и мащабируемостта в блокчейн и технологии с разпределени регистри. Чрез разрешаване на проверката на трансакции и изчисления без разкриване на основни данни, zk-SNARKs позволяват конфиденциални трансакции и ефективна проверка на сложни изчисления. Това е особено ценно в публичните блокчейни, където прозрачността е съществени, но поверителността често е компрометирана. Например, zk-SNARKs са основна технология в криптовалутите, фокусирани върху поверителността, като Electric Coin Company‘s Zcash, където те позволяват защитени трансакции, които крият изпращача, получателя и сумата на трансакцията.

Извън поверителността, zk-SNARKs също така адресират предизвикателствата на мащабируемостта, позволявайки на блокчейните да проверяват големи изчисления с минимални данни на веригата. Това свойство се използва в решения за мащабиране на второ ниво и ролъпи, където zk-SNARKs компресират много трансакции в едно кратко доказателство, значително намалявайки изчислителната и съхранителната тежест на основната верига. С напредването на изследванията и внедряването, zk-SNARKs са готови да играят централна роля в еволюцията на защитени, мащабируеми и запазващи поверителността цифрови системи.

Какво представляват zk-SNARKs? Основни концепции и терминология

Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) са сложни криптографски протоколи, които позволяват на едната страна (доказателя) да демонстрира на другата (проверяващия), че едно твърдение е вярно, без да разкрива никаква информация извън валидността на самото твърдение. Основните концепции, стоящи зад zk-SNARKs, са съществени за разбирането на техните свойства на безопасност и ефективност.

Свойството „нулеви знания“ осигурява, че по време на доказателствения процес не се разкрива допълнителна информация за основните данни. „Краткост“ се отнася до факта, че доказателствата на zk-SNARK са изключително кратки и могат да бъдат проверявани бързо, независимо от сложността на оригиналното изчисление. „Неинтерактивност“ означава, че протоколът изисква само едно съобщение от доказателя до проверяващия, което елиминира необходимостта от обратно-напред комуникация. Накрая, „аргумент за знание“ гарантира, че доказателят действително притежава знанието, необходимо за направата на твърдението, а не просто предполага или не коректно.

Ключовата терминология включва:

• Доказател: Субектът, който генерира доказателството за знание.
• Проверяващ: Субектът, който проверява валидността на доказателството.
• Обща референтна верига (CRS): Комплект от публични параметри, генерирани по време на доверителен етап, използвани от доказателя и проверяващия.
• Свидетел: Тайните данни или решение, което доказателят използва за конструкцията на доказателството.
• Твърдение: Твърдението, което се доказва, обикновено представено като изчислителен проблем или верига.

Тези концепции образуват основата на zk-SNARKs, позволявайки приложения, запазващи поверителността в блокчейн, удостоверяване и извън него. За допълнително четене, вижте Zcash и Electric Coin Company.

Как работят zk-SNARKs: Основните криптографски принципи

Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) се основават на сложна взаимовръзка от криптографски принципи, които позволяват на едната страна (доказателя) да убеди другата (проверяващия), че едно твърдение е вярно, без да разкрива никаква информация извън валидността на самото твърдение. В основата на zk-SNARKs стоят няколко основни концепции: доказателства с нулеви знания, краткост, неинтерактивност и аргументи за знание.

Свойството с нулеви знания осигурява, че проверяващият не научава нищо за основния свидетел (тайните данни), освен че твърдението е вярно. Това се постига чрез внимателно конструирани математически протоколи, които симулират доказателството без достъпа до свидетеля, концепция, формализирана от Goldwasser, Micali и Rackoff. Краткостта се отнася до способността на zk-SNARKs да произвеждат доказателства, които са изключително кратки и бързи за проверка, независимо от сложността на оригиналното изчисление. Това става възможно чрез кодиране на изчисленията като аритметични вериги и използване на полиномиални ангажименти.

Неинтерактивността се постига чрез хипотезата на Fiat-Shamir, която заменя интерактивните кръгове на предизвикателства и отговори с детерминистичен процес, използващ криптографски хеш функции, както е описано от Fiat и Shamir. Аргументите на знанието гарантират, че валидно доказателство може да бъде генерирано само ако доказателят действително притежава свидетеля, наложено от криптографски предположения, като предположението за знанието на експонентите.

Съвременните конструкции на zk-SNARK, като тези, използвани в Zcash, разчитат на напреднали техники, като квадратични аритметични програми (QAPs) и двойки електични криви, за да постигнат тези свойства ефективно. Комбинацията от тези принципи позволява на zk-SNARKs да осигуряват мащабируеми, запазващи поверителността допуски, подходящи за блокчейн и други децентрализирани приложения.

Ключови свойства: Краткост, неинтерактивност и нулеви знания

Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) се отличават с три основни свойства: краткост, неинтерактивност и нулеви знания. Краткост се отнася до способността на zk-SNARKs да произвеждат доказателства, които са изключително кратки – често само няколко стотици байта – независимо от сложността или размера на основното изчисление. Това свойство позволява бърза проверка, правейки zk-SNARKs изключително мащабируеми за приложения, като системи с блокчейн, където ефективността е от съществено значение Международна асоциация за криптологични изследвания.

Неинтерактивност означава, че zk-SNARKs изискват само едно съобщение от доказателя до проверяващия, елиминирайки необходимостта от обратно-напред комуникация. Това се постига чрез хипотезата на Fiat-Shamir, която трансформира интерактивните доказателства в неинтерактивни в модела на случайния оракул. Неинтерактивността е от съществено значение за децентрализирани среди, тъй като позволява доказателствата да бъдат генерирани и проверявани асинхронно и без координация Zcash.

Нулевите знания осигуряват, че доказателството не разкрива никаква информация за основния свидетел (тайните данни) извън валидността на доказателството, което е основно за приложенията, запазващи поверителността, тъй като позволява на едната страна да убеди другата в знанието или коректността, без да разкрива чувствителна информация. Комбинацията от тези три свойства прави zk-SNARKs мощен криптографски инструмент за безопасна, частна и ефективна проверка в широк спектър от цифрови системи Electric Coin Co..

Приложения на zk-SNARKs в блокчейн и извън него

Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) са се появили като трансформаторен криптографски инструмент, особено в блокчейн екосистемите. Основното им приложение е в подобряването на поверителността и мащабируемостта, като позволяват на едната страна да докаже притежание на определена информация, без да разкрива самата информация или да изисква интерактивна комуникация. В блокчейн, zk-SNARKs се използват най-вече в криптовалутите, фокусирани върху поверителността, като Zcash, където те позволяват защитени трансакции, които скриват изпращача, получателя и сумата на трансакцията, докато поддържат интегритета на мрежата.

Извън поверителността, zk-SNARKs улесняват решенията за мащабиране. Например, в протоколите на второ ниво и ролъпи, zk-SNARKs се използват за агрегация и проверка на големи пакети от трансакции извън веригата, след което подават кратки доказателства на основната верига. Този подход, приет от проекти като Polygon zkEVM и Scroll, значително намалява данните на веригата и изискванията за изчисления, позволявайки по-висока производителност и по-ниски такси.

Извън блокчейна, zk-SNARKs се изследват за безопасна удостоверяване, конфиденциални системи за гласуване и регулаторна съвместимост. В цифровата идентичност, zk-SNARKs могат да доказват атрибути (като възраст или гражданство), без да разкриват лични данни, поддържайки удостоверяване на идентичност, запазващо поверителността, както е видяно в инициативи като iden3. В управлението на веригата за доставки, zk-SNARKs могат да проверяват произхода на продуктите или съответствието с нормите, без да разкриват чувствителна бизнес информация.

Докато изследванията и внедряването се развиват, zk-SNARKs са готови да подпомагат широк спектър от приложения, запазващи поверителността и ефективността, както в рамките на, така и извън технологията блокчейн.

Сигурност и ограничения

Докато Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) предлагат мощни преимущества в областта на поверителността и мащабируемостта, тяхната сигурност зависи от няколко критични предположения и дизайнерски решения. Един основен аспект е доверителната настройка, необходима за много конструкции на zk-SNARK. Ако случаят с произвеждането на случайност в този етап е компрометиран, противник би могъл теоретично да създаде доказателства за фалшиви твърдения, което би подкопало целостта на системата. Усилията като церемонии за многопартийно изчисление цели да минимизира този риск, но етапът на настройка остава точка на притеснение Electric Coin Company.

Друго ограничение е зависимостта от специфични криптографски предположения за трудност, като сигурността на двойките електични криви и предположенията за знанието на експонентите. Напредъка в квантовите компютри или пробивите в криптоанализата могат да застрашат тези основи, потенциално правейки zk-SNARKs несигурни Международна асоциация за криптологични изследвания.

Допълнително, zk-SNARKs са уязвими на бъгове в имплементацията и атаки от страничен канал. Неправилното боравене с параметри, погрешна генерация на случайности или уязвимости в основните криптографски библиотеки могат всички да доведат до сигурност на системата. Сложността на веригите на zk-SNARK също увеличава риска от фини грешки, които може да не са веднага видими Zcash.

Накрая, докато zk-SNARKs предлагат кратки доказателства, процесът на генериране на тези доказателства може да бъде изчислително интензивен, потенциално ограничавяйки тяхното практическо внедряване в среди с ограничени ресурси. Текущи изследвания целят да адресират тези ограничения чрез алтернативни конструкции, като прозрачни SNARKs и схеми, сигурни след квантови настъпления.

Наскоро напредване и бъдещи насоки в изследванията на zk-SNARK

Последните години наблюдават значителен напредък в областта на Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs), предизвикан как от теоретични пробиви, така и от практическите изисквания на блокчейн и приложения, запазващи поверителността. Един основен напредък е разработването на универсални и актуализируеми доверителни настройки, като тези, които са имплементирани в Zcash обновление Sapling, които позволяват множество вериги да споделят единна настройка, намалявайки накладните разходи и предположенията за доверие, необходими за всяко ново приложение.

Друга основна посока е намаляването на размерите на доказателствата и времената за проверка. Протоколите като PLONK и Aztec са въвели по-ефективни системи за доказване, позволяващи по-бързо и по-мащабируемо доказателство на нулеви знания, подходящо за деплоймент в реалния свят. Тези подобрения са от съществено значение за интегриране на zk-SNARKs в среди с висока производителност, като решения за блокчейн на второ ниво и конфиденциални смарт контракти.

Изследванията също така се фокусират върху сигурността след квантовите настъпления, тъй като настоящите конструкции на zk-SNARK често разчитат на криптографски предположения, уязвими на квантови атаки. Усилия за базиране на zk-SNARKs върху бази, основаващи се на решетки или хеш функции, са в ход, подчертавани от инициативи от NIST и академични колаборации.

Гледайки напред, полето изследва прозрачни zk-SNARKs, които напълно елиминират нуждата от доверителна настройка, както се вижда в протоколите като Halo. Освен това, рекурсивната композиция на доказателствата и взаимодействието с други системи за доказателства с нулеви знания (например, zk-STARKs) са активни области на изследвания, обещаващи дори по-голяма мащабируемост и гъвкавост за технологии, запазващи поверителността.

Заключение: Влиянието на zk-SNARKs върху поверителността и проверката

Появата на Нулевите знания кратки неинтерактивни аргументи на знание (zk-SNARKs) значително трансформира пейзажа на поверителността и проверката в цифровите системи. Чрез даване на възможност на едната страна да докаже притежание на определена информация, без да разкрива самата информация, zk-SNARKs са стали основна технология за приложения, запазващи поверителността, особено в блокчейн и децентрализирани финанси. Тяхната краткост и неинтерактивност позволяват ефективна проверка, правейки ги изключително мащабируеми и практични за реален деплоймент.

В сферата на поверителността, zk-SNARKs дават възможност на потребителите да поддържат конфиденциалност на чувствителните данни, докато все пак участват в публични системи. Например, криптовалутите като Zcash използват zk-SNARKs за даване на възможност за защитени трансакции, като се уверяват, че детайлите на трансакцията остават частни, докато все пак са проверими от мрежата Electric Coin Company. Тази балансировка между прозрачността и поверителността е от съществено значение за насърчаване на доверието и приемането в децентрализирани екосистеми.

От гледната точка на проверката, zk-SNARKs опростяват процеса на доказване на изчислителна цялост. Те позволяват валидиране на сложни изчисления с минимални данни и изчислителни разходи, което е основополагающе за мащабиране на блокчейн мрежи и намаляване на разходите за транзакции Ethereum Foundation. Освен това, тяхната неинтерактивна природа елиминира необходимостта от обратно-напред комуникация, подобрявайки потребителския опит и сигурността.

Гледайки напред, влиянието на zk-SNARKs е на път да расте, тъй като все повече индустрии разпознават стойността на проверката, запазваща поверителността. Интеграцията им в управлението на идентичността, прозрачността на веригата за доставки и сигурните системи за гласуване подчертава тяхната многообразност и трансформационен потенциал. С продължаващи изследвания и развитие, се очаква, че zk-SNARKs ще играят ключова роля в оформянето на бъдещето на безопасните, частни и ефективни цифрови взаимодействия.

Източници и референции

• Electric Coin Company
• Electric Coin Company
• Goldwasser, Micali и Rackoff
• Fiat и Shamir
• Polygon zkEVM
• Scroll
• iden3
• Aztec
• NIST
• Ethereum Foundation