零知識證明技術發展與應用全解析:從隱私保護到Layer2擴容

2025-07-26 02:24:11

零知識證明的發展與應用

零知識證明體系最早源於1985年Goldwasser、Micali和Rackoff的研究成果。他們探討了在交互系統中，通過多輪交互來證明一個聲明正確性所需交換的知識量。如果可以在不交換任何知識的情況下完成證明,就被稱爲零知識證明。

早期的零知識證明系統在效率和實用性方面存在不足,主要停留在理論層面。近10年來,隨着密碼學在加密貨幣領域的興起,零知識證明開始蓬勃發展,成爲一個重要研究方向。其中,開發通用、非交互、證明規模有限的零知識證明協議是關鍵探索方向之一。

零知識證明的一個重要突破是Groth在2010年提出的短配對非交互式零知識證明。這爲zk-SNARK奠定了理論基礎。2015年,Zcash採用零知識證明系統實現交易隱私保護,標志着零知識證明開始廣泛應用。

其他一些重要學術成果包括:

此外,PLONK、Halo2等也是重要進展,對zk-SNARK做出了改進。

零知識證明最廣泛的兩個應用是隱私保護和擴容。

早期隱私交易項目如Zcash和Monero推出後,一度成爲重要方向。但由於隱私交易的必要性未達預期,這類項目逐漸進入二三線陣營。

Zcash採用zk-SNARKs技術,其交易步驟包括:系統設置、生成公私鑰、鑄幣、生成證明、驗證和接收。但Zcash基於UTXO模型,只是屏蔽了部分交易信息,而非完全隱藏。其隱私交易使用率不到10%。

Tornado Cash採用單一大混幣池設計,基於以太坊網路,使用zk-SNARK技術。它可以保證只有存入的幣可被提取,每個幣只能提取一次,證明過程與廢止通知綁定。

ZK擴容可在一層網路(如Mina)或二層網路(即zk-rollup)上實現。zk-rollup包括Sequencer和Aggregator兩類角色。Sequencer負責打包交易,Aggregator將大量交易合並並生成零知識證明,更新以太坊狀態樹。

zk-rollup的優點是費用低、快速達成最終性,缺點是計算量大、可能存在安全問題。

目前主要的zk-rollup項目包括:StarkNet、zkSync、Aztec Connect、Polygon Hermez/Miden、Loopring、Scroll等。它們在SNARK/STARK選擇和EVM兼容性方面存在差異。

EVM兼容性一直是個難題。一些項目選擇開發自己的虛擬機和語言,但這增加了開發者學習成本。目前業界主要有兩種方案:完全兼容Solidity操作碼,或設計新的ZK友好虛擬機並兼容Solidity。近期EVM兼容性取得重要進展,有望實現開發者無縫遷移。

ZK-SNARK(Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge)是一種零知識證明系統,具有以下特點:

Groth16的ZK-SNARK證明過程包括:

零知識證明技術仍在快速發展,未來有望在隱私保護、擴容等方面發揮更大作用。

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