科普 | 如何利用零知識證明改造區塊鏈_區塊鏈

已經有許多技術博客發表了關于零知識證明（ZKP）的文章。最近，我自己寫了一篇文章，比較了新的通用型 zk-SNARK。我注意到，用淺白的語言來解釋 ZKP 用例的文章還寥寥無幾。其實，ZKP 不僅僅可以用于保護隱私，由于其豐富多樣的功能，ZKP 甚至可以改變區塊鏈運行的方式。

因為區塊鏈的數據規模會隨著新區塊的產生而不斷增長，所以其規模可能會變得很大。這是設計使然，我們已經開始接受這一現實。然而，最近上線的 Coda 測試網卻有些與眾不同。首先， Coda 的區塊鏈數據規模恒定，并不會增長。其次，它的整條區塊鏈大小只有 22kb！這意味著哪怕你用一臺上世紀 80 年代的 Commodore 64 或者 ZX Spectrum 來跑節點也毫不費力。然而，相較于傳統的區塊鏈而言，Coda 的安全性有過之而無不及。還有越來越多的項目正在朝著這方面發展：Mir 和 Starling（我是 Starling 的一員） 將在不久后啟動與 Coda 相似但功能更加豐富的 “簡潔的區塊鏈”。那它們到底是怎么做的呢？

美國說唱歌手Megan Thee Stallion與Cash App合作發布比特幣科普視頻:美國說唱歌手Megan Thee Stallion與由Square開發的移動支付服務Cash App合作發布了一段名為“Bitcoin for Hotties”的視頻。該視頻從她的角度解釋了什么是比特幣，為什么比特幣有價值等內容。Megan Thee Stallion在Instagram上擁有超過2410萬粉絲，在 Twitter上擁有640萬粉絲。（Bitcoin News）[2021/8/8 1:41:10]

任何一個運行過區塊鏈節點的人都經歷過這樣的痛苦：同步一個節點需要耗費幾個小時甚至數天。區塊鏈的數據量往往非常巨大，以至于絕大多數家庭的電腦硬盤和帶寬都達不到運行節點的要求。這就導致了中心化。即便是像以太坊這樣廣受歡迎的區塊鏈，全網也只有大約 10,000 個節點。其中大部分節點還是被托管在 AWS 上的，并且歸屬于少數實體。區塊鏈并沒有許多人認為的那樣去中心化。

歐易OKEx將于3月18日推出DeFi系列科普視頻:據歐易OKEx官方消息顯示，歐易OKEx將正式推出DeFi系列科普視頻《歐易DeFi20講》，本系列節目由歐易OKEx亞太區CEO馬克金主講。該視頻首期將于3月18日11:00(HKT)推出，用戶可以在歐易OKEx官方學院、金色財經觀看。

《歐易DeFi20講》主要包含DeFi入門指南、全景解讀DeFi生態及如何參與DeFi三個篇章，可以輕松使用戶了解DeFi原理，洞察DeFi價值，掌握DeFi熱點，更多詳情請關注歐易OKEx官方學院。[2021/3/18 18:55:59]

為什么同步一條區塊鏈要花這么長的時間？有兩個原因。第一個原因顯而易見：下載數百 GB 甚至更多的數據需要耗費一段時間。其次，當節點下載完數據后，還需要對整條區塊鏈進行驗證，因為可能會有惡意的節點給你發送錯誤的數據。

人民數字FINTECH推出區塊鏈科普動畫:人民日報數字傳播發布微博稱，人民數字FINTECH出品《趣味科普|區塊鏈動畫》。[2020/3/31]

要想驗證一條區塊鏈，必須從創世區塊開始重放：執行第一筆交易，確認計算出的狀態與下載到的狀態一致。然后驗證下一筆交易，直到你驗證完整條區塊鏈中所有的交易。這樣做既耗時費力；而且在你之前，已經有成千上萬的節點執行過同樣的計算。

但這樣做是必要的，因為在傳統的計算模式中，知道計算是否正確的唯一方法就是重新再算一次。這對于小型計算來說還好，但對于比較大的計算量而言就不太友好了，比如重放區塊鏈。

事實證明，有一種技術可以在無需重新計算的前提下降低驗證計算結果的成本：零知識證明（ZKP），而 zk-SNARK 可能是所有零知識證明技術中最出名的。

所以到底怎么結合呢？我們必須將區塊鏈的重放函數用 zk-SNARK 重寫一遍。zk-SNARK 將輸出兩樣結果：初始輸出（就像初始的重放函數會輸出的結果一樣）和一個小型的數學證明，用于證明該計算結果是正確的。這個證明可以小到只有 200 Bytes(是的，你沒看錯，不到 1KB)。

動態 | 新浪財經：官媒針對區塊鏈的報道從科普宣傳轉向打假監管:據新浪財經今日消息，“1025新政”滿月，一個月間，官媒對區塊鏈的態度風向已轉。據11月初的一項統計，七家黨媒在新政一周內發布了65篇直接相關報道，當時文章中的關鍵詞是數據、產業、安全、創新等，大量文章偏向于科普區塊鏈的概念以及應用介紹，提醒警惕虛擬貨幣炒作的僅有3篇。近期，官媒的批評焦點則紛紛指向借區塊鏈之名進行的虛擬貨幣發行和炒作行為。據統計，新華網、人民網收錄轉載的，以打擊虛擬貨幣或揭露假借區塊鏈行騙為主題的文章，自10月25日到11月25日午間，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周內就高達15篇。這些文章主要圍繞三個觀點展開：厘清區塊鏈和虛擬貨幣的關系，說明二者概念不等；打擊偽“區塊鏈”騙局，或是虛擬貨幣騙局揭露；提醒民眾，區塊鏈不能成為炒作的噱頭，更不是行騙的招牌，需警惕此類活動，理性投資。[2019/11/26]

無需讓所有的（甚至多臺）計算機都執行重放函數。只需要有一臺計算機創建證明，其它所有計算機都可以按自己的需要驗證結果。驗證只需要花費幾毫秒，不論初始的計算花了多長時間（甚至是幾個小時、幾天或幾年，都無關緊要）。這些證明可以發布到網絡上、通過 U 盤傳播，甚至打印在 T 恤上。

動態 | 央行官微舊文重發“再科普”：范一飛詳解數字貨幣:據中國經濟網消息，今日，央行官微公眾號頭條重新發布央行副行長范一飛在2018年1月25日題為《關于央行數字貨幣的幾點考慮》的文章，對央行數字貨幣再次進行科普。同時，微信公眾號第二條發布支付司副司長穆長春8月10日在第三屆中國金融四十人伊春論壇上的演講。近年來，各主要國家和地區央行及貨幣當局均在對發行央行數字貨幣開展研究，新加坡央行和瑞典央行等已經開始進行相關試驗，人民銀行也在組織進行積極探索和研究。[2019/8/21]

如果有一個惡意的節點改動了余額，那么其證明就會和結果不匹配，所有驗證者都會拒絕該狀態。如果惡意的節點對 zk-SNARK 的代碼動了手腳，其結果也會被其它節點拒絕。（系統中還存在第三個參數 —— 一個公開的共享字符串，它將證明和 zk-SNARK 代碼綁定在了一起。一旦代碼被動了手腳，其證明就會和和共享字符串匹配不上，于是驗證者就會拒絕該計算結果。）

我們已經擺脫了對重復進行昂貴計算的依賴，同時也不再需要下載整條區塊鏈了（因為我們已經有了數學證明來證明區塊鏈的存在及有效）。你只需要下載當前的狀態（例如最新的區塊）加上一個很小的證明，用于證明當前狀態是有效區塊鏈的一部分，然后花費幾毫秒來驗證計算結果。

驗證證明的過程非常快，可創建證明的過程呢？事實證明，創建證明所耗費的時間并不是固定的，相較于傳統的計算而言，該過程在計算和內存方面要低效得多。事實上，盡管采用了 zk-SNARK 的重放函數聽上去很美好，但它實踐起來并不是一個優秀的解決方案。它會消耗巨大的內存，甚至比最初的非 zk-SNARK 重放函數還要慢。

但如今有了另一種優雅的解決方案。通過一些小技巧，我們可以使用遞歸的 zk-SNARK。通過遞歸，我們不再需要從頭開始驗證區塊鏈，而可以在上一個狀態的基礎上構建新的狀態。這要快得多。請注意，遞歸的 zk-SNARK 并沒有非遞歸的 zk-SNARK 效率高，但最近 zk-SNARK 構建已取得了巨大的進步。

遞歸的 zk-SNARK 程序使用上一個狀態、該狀態的證明以及新的交易作為輸入。它（使用提供的證明）驗證上一個狀態，并檢查新狀態中的交易是否有效。如果有效，它將輸出新狀態及其證明。

一旦新狀態和證明分發到了網絡中，所有節點都可以直接拋棄舊的狀態，而不用擔心產生任何負面后果。新節點只需要下載最新的狀態及其證明就可以了。這就為什么 Coda、Mir、和 Starlin 能實現數據規模恒定的區塊鏈。

在我們上一個例子中，只有一個節點會創建新的區塊及證明。很顯然，并非所有區塊都必然是同一個節點產生的。例如，可以從眾多節點中隨機選擇一個節點來創建區塊（如果采用了可驗證的隨機函數（Verifiable Random Function），節點們甚至可以在內部選出節點來出塊，且無法作惡）。我們甚至可以做的更好。我們可以將區塊生產的邏輯劃分為多個 zk-SNARK。

最終的結果就是區塊生產者不需要再保存整條區塊鏈，而只需要保存上一個狀態。這種解決方案可以小多少呢？一個常規的 Coda 節點只需要占用 22KB 的空間用于存儲證明、當前狀態和指向一個余額的默克爾路徑。通過 22KB 的存儲，節點可以驗證整條區塊鏈、查詢余額、以及創建交易。但要想生產區塊，節點需要做更多的操作：它需要上一個狀態的全余額默克爾樹。默克爾樹的大小取決于錢包的數量。即便 Coda 擁有的錢包數量和以太坊一樣多，一個 Coda 的區塊生產者仍然只需要 1GB 大小的存儲空間。而最小的以太坊全節點則需要 230GB（截止 2019 年 12 月）。這是一個巨大的差距。

通過這種方式，網絡中會有更多活躍的節點，進而增加其去中心化程度，并為與區塊鏈交互的程序開辟了許多新的可能性，而不用再借助諸如 Infura 或 Metamask 等解決方案。考慮到 99% 的用戶在安裝 Metamask 之前就已經放棄了，這應該會帶來巨大的影響。

感謝 Daniel Lubarov (Mir)、Shane Vitarana、Stan van de Burgt、Taariq Lewis、和 Dmitriy Berenzon 對本文的校對。

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