揭秘零知识简洁非交互知识证明 (zk-SNARKs)：它们如何在现代密码学中实现安全、私密和高效的证明
- 零知识证明简介
- 什么是zk-SNARKs？核心概念与术语
- zk-SNARKs的工作原理：基础密码学原理
- 关键特性：简洁性、非交互性和零知识
- zk-SNARKs在区块链及其他领域的应用
- 安全考虑及局限性
- zk-SNARK研究的最新进展与未来方向
- 结论：zk-SNARKs对隐私和验证的影响
- 来源与参考文献
零知识证明简介
零知识证明 (ZKPs) 是一种密码学协议，使一方（证明者）能够说服另一方（验证者）关于一个陈述的真实性，而无需透露超出该陈述本身有效性的任何信息。在零知识证明中，最先进和广泛采用的形式之一是零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）。zk-SNARKs 的特征在于其简洁性（非常短的证明）、非交互性（只需要证明者向验证者发送一条消息）以及高效地证明对计算问题解决方案的知识，而不揭示解决方案本身的能力。
zk-SNARKs 的发展对区块链和分布式账本技术中的隐私和可扩展性产生了深远影响。通过允许验证事务和计算而不暴露底层数据，zk-SNARKs 实现了机密交易和复杂计算的高效验证。尤其在透明性至关重要而隐私往往受到妥协的公共区块链中，这一点尤为重要。例如，zk-SNARKs 是专注于隐私的加密货币如电币公司的 Zcash 的基础技术，后者通过 zk-SNARKs 实现了隐藏发送者、接收者和交易金额的保护交易。
除了隐私，zk-SNARKs 还通过允许区块链以最少的链上数据验证大型计算来解决可扩展性挑战。这一特性在第2层扩展解决方案和汇聚中得到利用，zk-SNARKs 将许多交易压缩成单一的简洁证明，显著减少主链的计算和存储负担。随着研究和实现的不断进步，zk-SNARKs 将在安全、可扩展且保护隐私的数字系统的演变中发挥核心作用。
什么是zk-SNARKs？核心概念与术语
零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）是一种先进的密码学协议，使一方（证明者）能够向另一方（验证者）证明一个陈述的真实性，而无需透露超出该陈述本身有效性的任何信息。理解 zk-SNARKs 的核心概念对于理解其安全性和效率特性至关重要。
“零知识”属性确保证明过程不会披露关于底层数据的任何附加信息。“简洁性”指的是 zk-SNARK 证明极其简短，无论原始计算的复杂性如何，都可以快速验证。“非交互式”意味着该协议只需要证明者向验证者发送一条消息，消除了来回通信的需要。最后，“知识的论证”确保证明者实际上拥有进行声明所需的知识，而不是仅仅猜测或作弊。
关键术语包括：
- 证明者：生成知识证明的实体。
- 验证者：检查证明有效性的实体。
- 公共参考字符串 (CRS)：在受信设置阶段生成的一组公共参数，由证明者和验证者共同使用。
- 证人：证明者用来构造证明的秘密数据或解决方案。
- 陈述：被证明的主张，通常表示为一个计算问题或电路。
这些概念构成了 zk-SNARKs 的基础，使其能够在区块链、认证等领域实现保护隐私的应用。有关更多信息，请参见 Zcash 和 电币公司。
zk-SNARKs的工作原理：基础密码学原理
零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）建立在一系列复杂的密码学原理之上，使一方（证明者）能够说服另一方（验证者）某个陈述是真实的，而无需揭示超出陈述本身有效性的任何信息。zk-SNARKs 的核心包括几个基础概念：零知识证明、简洁性、非交互性和知识的论证。
零知识属性确保验证者无法了解关于底层证人（秘密数据）的任何信息，仅知道该陈述是真实的。这是通过精心构造的数学协议实现的，该协议在没有访问证人的情况下模拟证明，Goldwasser、Micali 和 Rackoff 正式化了这一概念。简洁性指的是 zk-SNARKs 能够产生极短且快速可验证的证明，无论原始计算的复杂性如何。通过将计算编码为算术电路并利用多项式承诺，该特性得以实现。
非交互性通过 Fiat-Shamir 启发式实现，它使用加密哈希函数将交互式挑战响应回合替换为确定性过程，如Fiat 和 Shamir所描述。知识的论证确保只有当证明者实际上拥有证人时才能生成有效证明，这通过如指数知识假设等密码假设来强化。
现代 zk-SNARK 构造（例如在Zcash中使用的技术）依赖于诸如二次算术程序（QAPs）和椭圆曲线配对等高级技术，以高效地实现这些属性。这些原理的结合使 zk-SNARKs 提供可扩展、保护隐私的证明，适合于区块链和其他去中心化应用程序。
关键特性：简洁性、非交互性和零知识
零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）以三个基础属性为特征：简洁性、非交互性和零知识。简洁性指的是 zk-SNARKs 能够产生极其简短的证明——通常仅为几百字节——无论底层计算的复杂性或大小如何。该属性使快速验证成为可能，使 zk-SNARKs 在区块链系统等对效率要求极高的应用中具备高度的可扩展性 国际密码学研究学会。
非交互性意味着 zk-SNARKs 只需要证明者向验证者发送一条消息，从而消除了来回通信的需要。这是通过 Fiat-Shamir 启发式实现的，它在随机预言机模型中将交互式证明转换为非交互式证明。非交互性对于去中心化环境至关重要，因为它允许证明异步生成和验证，而无需协调 Zcash。
零知识确保证明不会透露关于底层证人（秘密数据）的任何信息，超出被证明的陈述的有效性这一点。这一属性对于保护隐私的应用至关重要，因为它允许一方说服另一方了解知识或正确性，而无需暴露敏感信息。这三种属性的结合使 zk-SNARKs 成为广泛数字系统中安全、私密和高效验证的强大密码学工具 电币公司。
zk-SNARKs在区块链及其他领域的应用
零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）已经成为一种变革性的密码学工具，尤其是在区块链生态系统中。它们的主要应用在于通过使一方能够证明某些信息的存在，而不揭示该信息本身或要求交互通信，从而增强隐私和可扩展性。在区块链中，zk-SNARKs 最显著的应用是在如 Zcash 等专注于隐私的加密货币中，通过保护交易来隐藏发送者、接收者和交易金额，同时保持网络完整性。
除了隐私，zk-SNARKs 还促进了可扩展性解决方案。例如，在第2层协议和汇聚中，zk-SNARKs 用于在链外聚合和验证大量交易，然后将简洁的证明提交给主链。此方法被 Polygon zkEVM 和 Scroll 等项目采用，显著减少了链上数据和计算要求，从而实现更高的吞吐量和更低的费用。
在区块链之外，zk-SNARKs 正在被探索用于安全认证、机密投票系统和合规性。在数字身份领域，zk-SNARKs 可以在不披露个人数据的情况下证明属性（如年龄或国籍），支持隐私保护的身份验证，正如 iden3 等计划所示。在供应链管理中，zk-SNARKs 可以验证产品来源或与标准的合规性，而无需暴露敏感的商业信息。
随着研究和实现的逐步成熟，zk-SNARKs 有望支持各种保护隐私和高效的应用，无论是在区块链技术内部还是外部。
安全考虑及局限性
虽然零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）提供强大的隐私和可扩展性优势，但其安全性依赖于几个关键假设和设计选择。一个主要的考虑是许多 zk-SNARK 构造所需的受信设置阶段。如果在此设置过程中生成的随机性被破坏，攻击者可能会伪造错误陈述的证明，从而破坏系统的完整性。诸如多方计算仪式等努力旨在减轻这一风险，但设置阶段仍然是一个令人担忧的点 电币公司。
另一个局限性是对特定密码学硬度假设的依赖，例如椭圆曲线配对的安全性和指数知识假设。如果量子计算方面取得进展或破解技术出现突破，可能会威胁这些基础，从而使 zk-SNARKs 不再安全 国际密码学研究学会。
此外，zk-SNARKs 易受到实施错误和侧信道攻击的影响。错误的参数处理、缺陷的随机性生成或底层密码学库中的漏洞都会导致安全漏洞。zk-SNARKs 电路的复杂性也增加了潜在微妙错误的风险，这些错误可能不会立即显现 Zcash。
最后，尽管 zk-SNARKs 提供简洁证明，但生成这些证明的过程可能计算密集，这可能限制其在资源受限环境中的实际部署。当前的研究正在通过替代构造（如透明 SNARKs 和后量子安全方案）来解决这些局限性。
zk-SNARK研究的最新进展与未来方向
近年来，零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）领域取得了显著进展，这部分得益于理论突破，以及区块链和隐私保护应用的实际需求。其中一个主要进展是开发了通用和可更新的受信设置，例如在Zcash Sapling 升级中实现的那种，它允许多个电路共享单一设置，从而减少了以前每个新应用所需的开销和信任假设。
另一个关键方向是减少证明大小和验证时间。像 PLONK 和 Aztec 这样的协议引入了更高效的证明系统，使快速且可扩展的零知识证明适合于实际部署。这些改进对于将 zk-SNARKs 集成到高吞吐量环境（如第2层区块链解决方案和隐私保护智能合约）至关重要。
研究还集中在后量子安全性上，因为当前的 zk-SNARK 构造往往依赖于易受量子攻击的密码学假设。基于基于格或者哈希的原语的 zk-SNARKs 的努力正在进行中，正如NIST 和学术合作的倡议所强调的。
展望未来，该领域正在探索透明 zk-SNARKs，这完全消除了对受信设置的需求，正如Halo 中的协议所示。此外，递归证明组合和与其他零知识证明系统（例如zk-STARKs）的互操作性是活跃的研究领域，为保护隐私的技术提供更大的可扩展性和灵活性。
结论：zk-SNARKs对隐私和验证的影响
零知识简洁非交互知识证明（zk-SNARKs）的出现显著改变了数字系统中隐私和验证的格局。通过使一方能够证明某些信息的存在而不揭示该信息本身，zk-SNARKs 已成为保护隐私应用的基石技术，尤其是在区块链和去中心化金融领域。它们的简洁性和非交互性使高效验证成为可能，因而具有很高的可扩展性和实际部署的适用性。
在隐私领域，zk-SNARKs 使用户能够在参与公共系统的同时保持对敏感数据的机密性。例如，加密货币如 Zcash 利用 zk-SNARKs 来实现保护交易，确保交易细节保持私密，同时仍然可以被网络验证 电币公司。这一透明性与隐私之间的平衡对于促进去中心化生态系统中的信任和采用至关重要。
从验证的角度来看，zk-SNARKs 简化了证明计算完整性的过程。它们允许以最少的数据和计算开销验证复杂的计算，这对于扩展区块链网络和降低交易成本至关重要 以太坊基金会。此外，它们的非交互性消除了来回通信的需求，增强了可用性和安全性。
展望未来，zk-SNARKs 的影响预计将随着更多行业意识到保护隐私的验证价值而不断增长。它们在身份管理、供应链透明性和安全投票系统中的整合突出其多样性和变革潜力。随着研究和发展的不断推进，zk-SNARKs 预计将在安全、私密且高效的数字交互的未来中发挥关键作用。
来源与参考文献
