零知識證明系統先行者zkSync_STA

前言

關注區塊鏈的朋友，經常會在圈子里面看到有關零知識證明的信息，而zksync、mina等知名項目都是使用到了零知識證明的相關技術。

而實際上，這并不是什么新技術，早在1985年，由MIT教授ShafiGoldwasser，SilvioMicali和密碼學大師Charles在《TheKnowledgeComplexityofInteractiveProof-Systems》論文中提出。

正是這篇文章提出了零知識證明這個偉大概念，并逐步成為了現代密碼學理論的根基之一，而ShafiGoldwasser和SilvioMicali也于2012年獲得了有“計算機界諾貝爾獎”之稱的圖靈獎。

什么是零知識證明

零知識證明指的是證明者能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。或許這樣的描述還不夠通俗，其實在我們日常生活中，也經常會有零知識證明的身影。

Polygon開源零知識證明系統Plonky2:8月16日消息，Polygon宣布開源零知識證明系統Plonky2，另外，STARK證明器Starky也是開源的。Plonky2由Polygon于今年1月份公布，Plonky2是一種遞歸SNARK，并且與以太坊原生兼容，結合了PLONK和FRI，具有快速證明和無可信設置。[2022/8/16 12:28:58]

例1:

比如我有一個車子，我要向你證明我有車子的鑰匙能打開車門。

在這里，我要證明的論題是：我有這個車子的鑰匙，第一種做法是，我直接當你的面用車鑰匙打開車門，還有一種做法是，我直接拿出車里面的東西給你看。

第一種方法你直接看到鑰匙開門的過程，這不算零知識證明，因為你看到了鑰匙。

兩位數學家因對零知識證明的研究獲得數學界大獎阿貝爾獎:據DeepTech深科技消息，近日，備受矚目的數學界大獎阿貝爾獎公布兩名獲獎者，一位是匈牙利數學家拉茲洛?洛瓦茲（László Lovász），一位是以色列計算機科學家阿維?威格森（Avi Wigderson）。兩位數學家因為對零知識證明的研究，而獲此殊榮。曾經讓純數學家看不起的零知識證明，卻獲得了數學界舉足輕重的阿貝爾獎。正如頒獎詞所說：“表彰其在理論計算機科學和離散數學方面做出的杰出貢獻，以及在將之塑造為現代數學中心領域中發揮的主導作用。”零知識證明比起其他復雜算法更為簡單，但這兩位數學家對于零知識證明的研究，不僅對現代數學核心計算有重大貢獻，還有巨大的現實意義：其一，零知識證明對數字貨幣的認證意義重大；其二，零知識證明還可以用于人的身份驗證，即在不透露密碼的前提下，驗證方通過一系列問題來讓對方提供 “我知道正確密碼”，或在信息安全領域，提供 “我就是本人” 的證明。[2021/5/2 21:16:57]

第二種方法，驗證者并不需要知道我用鑰匙開門的過程，也能判斷出我有這個車子的鑰匙，整個過程我們認為驗證者對于鑰匙是零知識的。

Vocdoni 認為以太坊和零知識證明等技術可以實現數字投票方案:去中心化治理工具 Vocdoni 撰文認為在經歷了 2020 年美國大選期間的投票混亂之后，是時候該考慮基于以太坊、零知識證明（zkSNARK）和 IPFS 等去中心化技術實現安全且匿名的數字投票解決方案。

Vocdoni 認為這不是一個簡單的挑戰，但是他們設計了一套系統希望能解決投票的問題，將利用以太坊、IPFS 和 Tendermint 等技術。Vocdoni 表示他們的投票協議技術（Vocdoni Open Stack）是完全開源的，已經在歐洲的一些文化組織選舉中被證明是成功的，涉及近 20 萬投票者。[2020/11/9 12:06:07]

例2:

A是紅綠色盲，B是正常人，現在有一個紅球和一個藍球，除了顏色，其他大小質地等其他因素完全一樣，因為A是色盲，他看到的這兩個球是一樣的，那B如何才能讓A相信這兩個球是不一樣的顏色呢？具體要怎么來做呢？

StarkWare已開源零知識證明代碼ethSTARK:零知識證明研發機構StarkWare已在GitHub開源ethSTARK。StarkWare稱，2018年我們獲得以太坊基金會的資助去探索對STARK友好的哈希函數以及開源ZKP代碼。ethSTARK代碼的證明速度將比現有的任何ZKP代碼快20倍。

注：2018年7月份，StarkWare獲得了以太坊基金會提供的400萬美元資助，將研發對STARK友好的哈希函數和技術，并為生態系統提供開源代碼。STARK將允許區塊鏈在兼備隱私和后量子安全的情況下進行大規模擴展（例如分片）。（Github）[2020/7/27]

很簡單，B可以把兩個球都給A，A分別一只手拿一個球，并藏在自己身后，A自己決定要不要交換兩只手的球。

然后A再把兩只手的球拿給B看，B只需要判斷是否交換球即可，當然一次并不能證明，但如果我們猜100次呢，1000次呢，如果100次，甚至1000次B都能正確猜對是否交換兩個球，那A就可以推斷出這兩個球的顏色是不一樣的了。

Trail of Bits計劃利用零知識證明重塑漏洞披露流程:安全研究機構Trail of Bits宣布，正在與約翰霍普金斯大學的Matthew Green合作，使用零知識證明（zero-knowledge proofs）技術為科技公司和安全漏洞研究人員建立一種可信的基礎設施，在新的合作方式之下，雙方在針對漏洞披露（Vulnerability Disclosure）的流程中可進行合理的溝通，而不必擔心受到破壞或歧視。

在接下來的四年里，Trail of Bits 將會進一步推進零知識證明的理論極限，并為安全漏洞研究人員提供相應的軟件，用以產生漏洞可利用性的零知識證明。[2020/5/22]

在整個過程中，A都不知道球的正確顏色，所以我們認為A對于球的顏色是零知識的，但是A卻通過這樣的方式正確推斷出這兩個球的顏色不一樣。

零知識證明的性質

上面的兩個例子著重強調了零知識證明的“零知識”這個特性，但零知識證明作為一種證明手段，它也應該具備證明的基本性質：一是足夠有說服力，而是無法作假。

具體而言，一種零知識證明的方法需要具備如下三個性質：

完備性：若證明方確實掌握了某論斷的答案，則他肯定能找到方法向驗證方證明他手中掌握的數據的正確性，即真的假不了。

可靠性：若證明方根本不掌握某論斷的答案，則他無法說服驗證方他手中所謂答案的準確性，即假的真不了。

零知識性：驗證方除了知道證明的結果外，對其他信息一無所知。

當然，現實生活中，還有很多這樣的例子，我們不一一列舉，用到零知識證明的項目很多，這里我們一起來了解一下zkSync，zkSync是基于ZKRollup架構的低成本擴容協議，主要通過零知識證明和數據可用性保障用戶資產安全。

zkSync的整體架構工作過程

Watcher負責監控zkSync合約交易，Sender發送zkSync智能合約的交易，而MemPool負責收集交易。

整個過程會產生兩種交易：L1交易和L2交易。

BlockProposer將交易打包，并更改世界狀態(PlasmaState)。在世界狀態更改后，通過BlockCommitter生成證明需要的信息。具體到存款和轉賬流程如下：

存款

1、用戶調用L1zkSync智能合約存儲資金，該交易發生在L1；

2、Watcher監控L1存款交易，當交易發生時則會放入Mempool中，該過程一般會經過10個區塊確認，但實際使用中，可能需要更長時間L1的充幣交易才會在L2中生效；

3、BlockProposer處理Mempool交易打包，并提交StateKeeper更新賬本，充幣交易的狀態隨之變化。

轉賬

1、當用戶想要使用L2低成本快速轉賬時，調用zkSyncAPI提交轉賬交易；

2、交易同樣會按照流程Mempool-->BlockProposer-->StateKeeper進行流轉；

3、最終StateKeeper通知BlockCommiter收集生成零知識證明所需信息，調用PlonK證明系統生成零知識證明后，借助Sender將存款和轉賬等交易數據，以及將對應的零知識證明提交到L1的zkSync智能合約驗證，等待L1交易確認后，Watcher會通知L2更新交易狀態為最終確認。

zkSync采用PlonK零知識證明系統，其中包括ProverServer和ProvingClient，在電路設計上，非常巧妙的將交易分割成一個個小的通用處理單元。

一個Operation對應的證明電路邏輯支持所有可能交易的Operation邏輯。多個有關聯的Operation電路組成交易電路。

多個交易的電路再組合成區塊電路。從而，在固定大小的區塊中也能包含不同組合的交易。zkSync開源了PlonK算法的驗證電路，能進行多個PlonK證明。

相關代碼鏈接如下：

https://github.com/matter-labs/recursive_aggregation_circuit

而在整個充幣和轉賬過程中，zkSync并不需要獨立生成新賬戶，zkSync的L2賬戶和L1賬戶是一一對應的，“共享”一份私鑰，準確的說，L1的私鑰的ECDSA簽名的結果作為L2賬戶的私鑰。

這樣在使用的時候很方便，我們直接使用L1的地址就可以在L2上完成充幣，轉賬或者提幣的操作。

總結

截止目前，imToken和gitcoin已經深度集成了zkSync，后面還會有更多的項目接入，而隨著ETH交易量的高速增長，交易的擁堵和高昂的礦工費必將促進Layer2賽道的競爭，zkSync作為零知識證明系統應用的先行者，或許值得期待。

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