Розвиток та перспективи застосування zk-SNARKs

zk-SNARKs історичний розвиток

Сучасні zk-SNARKs вперше були представлені в 1985 році в дослідженнях, проведених Goldwasser, Micali та Rackoff. Вони запропонували, як у інтерактивних системах можна довести правильність твердження з мінімальною обміном інформацією. Ця концепція відома як zk-SNARKs, тобто доведення істинності певного твердження без розкриття додаткової інформації.

На початкових етапах системи zk-SNARKs мали недоліки в ефективності та практичності, в основному залишаючись на теоретичному рівні. Лише за останнє десятиліття, завдяки широкому застосуванню криптографії в сфері криптовалют, zk-SNARKs почали активно розвиватися, ставши ключовим напрямком досліджень. Серед них, розробка універсальних, неінтерактивних, з малим обсягом доказів протоколів zk-SNARKs є одним з найважливіших напрямків дослідження.

Одним із важливих проривів у нульових знаннях стало коротке парне неінтерактивне нульове свідчення, запропоноване Гротом у 2010 році, яке заклало теоретичну основу для zk-SNARKs. У 2015 році застосування нульових знань у проекті Zcash забезпечило захист конфіденційності транзакцій, відкривши більш широкі можливості для застосування.

Після цього з'явилась низка важливих наукових досягнень:

• Протокол Піноккіо 2013 року значно підвищив ефективність доказів та перевірок
• Groth16 2016 року ще більше зменшив розмір доказу та підвищив швидкість верифікації
• У 2017 році Bulletproofs представили компактні неінтерактивні zk-SNARKs без необхідності у надійному налаштуванні.
• У 2018 році були представлені zk-STARKs, які пропонують масштабовані, прозорі та стійкі до квантових атак докази обчислювальної цілісності.

Інші нові технології, такі як PLONK, Halo2 тощо, також постійно сприяють прогресу zk-SNARKs.

zk-SNARKs основні застосування

zk-SNARKs наразі мають два найпоширеніші напрямки застосування: захист конфіденційності та масштабування.

У сфері захисту конфіденційності раніше з'явилися такі代表性 проектів, як Zcash і Monero. Але через те, що попит на конфіденційні транзакції не виправдав очікувань, ці проекти поступово зникли з основної уваги.

В питанні масштабування, з переходом Ethereum 2.0 на маршрут, орієнтований на rollup, масштабувальні рішення на основі zk-SNARKs знову стали в центрі уваги.

приватні транзакції

Основні реалізації приватних транзакцій включають:

• Використання zk-SNARKs Zcash та Tornado Cash
• Використання Bulletproofs у Monero
• Система змішування монет Dash( приховує лише адресу )

Наприклад, у Zcash процес транзакції включає: налаштування системи, генерацію ключів, емісію, скидання, верифікацію та отримання. Однак у Zcash також є деякі обмеження, такі як базування на моделі UTXO, що ускладнює інтеграцію з іншими додатками, і насправді частка використання приватних транзакцій не є високою.

Tornado Cash використовує єдиний великий пул змішаних монет, оснований на мережі Ethereum, і використовує технологію zk-SNARKs. Це забезпечує те, що лише внесені монети можуть бути виведені, і кожна монета може бути виведена лише один раз.

У порівнянні з цим, реалізація захисту конфіденційності відносно проста, якщо в майбутньому проблема масштабування буде вирішена, конфіденційність також не стане основною перешкодою.

розширення

zk-SNARKs в застосуванні для масштабування має два основних напрямки:

1. Розширення мережі другого рівня, наприклад, проект Mina
2. Другий рівень мережі, а саме zk-rollup

Основна ідея zk-rollup полягає в об'єднанні великої кількості транзакцій та генеруванні одного zk-SNARKs, а потім перевірці цього доказу на основному ланцюгу для оновлення стану. Цей підхід має такі переваги, як низькі витрати, висока безпека та швидка фіналізація транзакцій, але також стикається з викликами, такими як велике обчислювальне навантаження та необхідність у надійному налаштуванні.

Наразі на ринку основними проектами zk-rollup є StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring та Scroll. Ці проекти відрізняються в технічному напрямку в основному вибором між SNARK та STARK, а також підтримкою сумісності з EVM.

Сумісність з EVM є важливою проблемою. Проектам потрібно зважувати між ефективністю zk-SNARKs та дружелюбністю до розробників Ethereum. Деякі проекти вибирають повну сумісність з операційними кодами Solidity, тоді як інші проектують нові віртуальні машини для досягнення дружелюбності до zk-SNARKs та сумісності з Solidity. Нещодавній швидкий прогрес у сумісності з EVM надав розробникам більше вибору.

Основні принципи zk-SNARK

zk-SNARK(zk-SNARKs) є широко застосовуваною технологією нульових знань. Вона має такі характеристики:

• zk-SNARKs: не розкриває додаткову інформацію
• Лаконічність: маленький обсяг верифікації
• Неперервний: без необхідності в багаторазовій взаємодії
• Надійний: обмежені й можливості доказувачів не можуть підробити свідчення
• Знання: доказувач повинен знати дійсну інформацію, щоб побудувати доказ

Groth16 є поширеним реалізацією zk-SNARKs, основні етапи якої наведені нижче:

1. Перетворення проблеми на схему
2. Перетворіть схему в R1CS ( Rank-1 Constraint System )
3. Перетворення R1CS у QAP (Квадратична арифметична програма)
4. Провести надійне налаштування, згенерувати ключі доказів і верифікації
5. Генерація та перевірка zk-SNARKs

Технологія нульового знання швидко розвивається, відкриваючи нові можливості для блокчейну. У майбутньому ми продовжимо досліджувати принципи zk-SNARKs, приклади застосування, а також його зв'язок з іншими технологіями, такими як zk-STARK.