從技術原理出發 批判“加密顯學”零知識證明_區塊鏈

原文：《Criticism on ZK》by msfew

*注：首先，這是一個用一個小時寫的草稿。 主要是為了快速收集信息，所以可能存在非常多的潛在錯誤和不完整的信息。

對 ZK 的主要批評包括兩個：

一是證明時間長 (因此有各種 benchmark、各種新的 ZK 協議和各種硬件優化）；

一是系統和應用程序安全性仍然需要測試。

零知識證明是區塊鏈領域非常流行的技術。 由于鏈上計算資源稀缺且昂貴，零知識證明允許這些計算在鏈下進行，雖然鏈下證明生成的總時間消耗非常高，但它仍然壓縮了最終證明和相關的計算驗證，從而允許計算“在鏈上”。

ZK 證明生成時間過長的問題往往被研究者和開發者所忽視，因為這本質上是 ZK 需要做出的權衡。

Coinbase首席財務官：上線資產前會從技術和風險角度進行評估:金色財經報道，今日在美國國會的加密聽證會上，在眾議員Pete Sessions詢問交易所如何識別欺詐和降低風險時，Coinbase首席財務官Alesia Haas表示，該交易所在資產上市之前會從技術和風險的角度對其進行評估。[2021/12/9 12:59:42]

雖然他們沒有直接批評 ZK 的這個缺點，但是他們有很多從對面解決這個缺點的方法和討論。

也就是說，他們通過提出各種解決方案并進行大量基準測試來隱含地談論 ZK 的極長證明時間。

在衡量 ZK 應用之前，我們首先要測試 ZK 協議底層 commitment 的性能。

因為比如，FRI 導致 STARK，KZG 導致常規 SNARK，IPA 導致 Bulletproof 。 底層承諾的性能測試對于 ZK 應用的性能并不直觀，但對于理解 ZK 證明時間長的問題很有幫助。

火幣論壇對話汪弘彬：從技術層面來說，區塊鏈將在金融領域發揮領先作用:新加坡時間12月30日下午，歐洲貨幣機構投資者集團大中華區CEO汪弘彬做客火幣論壇，以“回顧與展望，從疫情到復蘇”為主題，與火幣商務副總裁Ciara探討在疫情的持續影響下，企業該如何進行數字化轉型。

汪弘彬認為，疫情推動了數字浪潮的發展，從技術層面來說，區塊鏈和加密貨幣行業將在金融領域發揮領先作用，并且會迅速成長為不同于大數據、人工智能和物聯網的另一種新技術，未來勢必會有很大的發展空間。比特幣在2020年表現突出。但如果比特幣要成長為更成熟的資產類別的話，必須要經歷一系列的周期，比特幣至今還沒有一個完整的周期。成熟的機構投資者要了解這一點，然后再進入這個市場。

“據我個人觀察，比特幣的資產類別變得愈來愈清晰了，這會吸引越來越多的機構進入這個市場，但我們還是要從宏觀角度來看比特幣整體周期的發展。但從長遠來看，我對這類資產很樂觀。”汪弘彬最后總結道。[2020/12/31 16:08:51]

從上面的鏈接我們可以看出，這些底層承諾協議不僅計算復雜 (可能導致證明時間長)，而且還存在內存消耗非常大的問題。

IBM區塊鏈總經理：區塊鏈正在從技術演變為真正的業務工具:10月3日消息，IBM區塊鏈總經理Alistair Lenny在接受采訪時表示，區塊鏈越來越適合企業架構，因為它允許公司與其他公司數字化其業務流程。這意味著區塊鏈正在從技術演變為真正的業務工具，這表明采用可能將會非常迅速。（JP.Cointelegraph）[2020/10/3]

當然，內存消耗其實更多的是跟硬件配置要求有關，這跟我們今天要討論的話題是不一樣的。

對于具體的 SNARK 性能測試，a16z crypto 將它們分為前端和后端：

前端通常是 ZK 應用開發者接觸到的 Cairo 語言/ zkVM 高級語言等；

而后端是更接近 SNARK 證明生成時間的承諾等底層密碼學操作。

其中，作者提到 SNARK 證明生成具有大約 100 倍的計算開銷，并且每個 ZK 協議都有額外的開銷，例如：

動態 | 經濟日報：推動完善區塊鏈產業生態系統 需從技術創新等方面入手:經濟日報今日發表題為《推動完善區塊鏈產業生態系統》的分析文章。文章表示，近年來，我國區塊鏈產業發展迅猛，但在技術突破、人才支撐、安全防控等方面仍存在不小挑戰。對此，需采取有針對性的措施加以解決，不斷完善區塊鏈產業生態系統。文中提到，目前制約我國區塊鏈產業生態系統發展完善的主要因素有以下幾個方面：一是區塊鏈技術仍處于發展的初期，基礎研究與協同攻關較為薄弱；二是區塊鏈領域的人才缺口較大；三是區塊鏈安全隱患不容忽視，風險防控有待加強；四是區塊鏈產業布局需進一步統籌；五是區塊鏈產業相關政策法規尚不完善。文中建議，進一步推動完善區塊鏈產業生態系統，必須從技術創新、人才培養、風險防控、生態協調、產業監管五個方面著手，尋找解決之道。[2019/12/25]

“In Groth16, P must work over a pairing-friendly group, whose operations are typically at least 2x slower than groups In Groth16, P must work over a pairing-friendly group, whose operations are typically at least 2x slower than groups that aren't pairing friendly. , this results in at least an additional factor-6 slow down relative to the 100-|C| estimate above.”

聲音 | 王和：未來區塊鏈將從技術的范疇走向社會的范疇:12月5日，第四屆智能金融國際論壇暨2019金融界“領航中國”年度盛典在北京盛大召開，逾千位精英學者、數百家金融機構共同聚首，探討中國和世界的“大變局、大視野、大未來”。在圓桌討論“新技術 新革”上，中國人民財產保險公司原監事長王和參與討論。當前區塊鏈具有戰略性的機遇，同樣重要的是具備更多應用場景的就是5G技術，對此，王和表示，區塊鏈技術到已經走過了十年。在中國基本上經歷了三個階段，首先是是2009年、2010年以比特幣為代表的周期。第二個階段是2016年至2018年，區塊鏈迅速的走進大眾視野，多種類數字貨幣出現。第三個階段是從今年下半年，到2020年將開啟的全新時代。關于區塊鏈的未來，王和認為，未來區塊鏈對于人類社會的影響，要比現在想象的更為廣泛和深刻，未來也將迎來新一輪的區塊鏈發展的新歷史時期。 盡管區塊鏈技術現在還面臨的很多的瓶頸，但要有足夠的信心、想象力和技術跨越這些困難。 最后，未來區塊鏈和5G的結合，可能將給我們帶來全新的概念：速度等于可能。數字經濟時代，速度將成為一個國家的核心競爭力，5G無疑是速度的代表。[2019/12/5]

總體而言，可以說 zk-SNARK 的額外性能開銷在 200 - 1000 倍的范圍內。

此外，文章還提到了 zk-SNARK 的其他限制，例如可信設置和內存使用。

Modulus Labs 的文章測量了一些 ZK 協議的實際性能。有些基準是針對參數數量的，這對我們來說不是很直觀。然而，在應用中，文章提到在 Worldcoin 用例中，即使使用 “最快” 的 Plonky2，仍然需要幾分鐘的證明生成時間和數十 GB 的內存消耗，無法在個人電腦上運行。

為了減少證明生成時間，我們可以并行證明多個證明。

通常，有兩種方法可以做到這一點：一種是批處理，另一種是遞歸。

簡單來說，批處理是同時證明一批證明，最后將它們聚合在一起，而遞歸是在一個證明中驗證其他證明。 一般而言，遞歸方法具有更小證明大小 的額外優勢。

一些更常見的聚合方法包括 Halo2、Plonky2。他們每個人都以不同的方式執行批處理和遞歸，從而減少了證明時間。

除了ZK的協議層，ZK的應用層也可以有針對性的優化。例如，可以同時使用多個 ZK 協議 (STARK + SNARK ），或者針對宏觀采取遞歸策略進行特定于應用程序的調優。

一般來說，這實際上減少了協議和證明分配方面的證明生成時間。 在探索新的 ZK 協議時，減少證明時間是最重要的考慮因素。

此外，從硬件角度進一步減少 ZK 應用在物理和節點層面的證明時間也做了很多努力。

首先，與前面提到的新協議一樣，ZK 協議被設計為盡可能對硬件友好，例如 HyperPlonk。

Paradigm 提到，ZK 的證明生成速度慢主要是由于涉及大量的 MSM 和 FFT，它們對硬件不友好，導致由于隨機內存訪問等問題導致最終證明生成速度慢。 對于這些底層加密計算，ZK 協議需要在它們的組成和規模上進行一些權衡，以使其對硬件更加友好。

幾家 ZK 硬件加速廠商表示，GPU 實際上是目前最經濟和可配置的硬件選擇，我們最終將有 FPGA 過渡到 ASIC 階段。 根據 zk 硬件公司的說法，他們的第一版 ASIC 可以直接減少至少 30% 的 ZK 證明生成時間。

此外，由于不同的服務器配置，將不同的云服務器作為節點運行可能涉及不同的硬件特定優化。

ZK 現在的另一個批評是電路代碼仍然需要正確 (沒有 bug)。

如果 ZK 協議從健全性、完整性、零知識的角度受到攻擊，我們將不再擁有有效的 ZK 系統。 我們可以在這個鏈接中看到各種角度的攻擊示例。

雖然 ZK 應用可以被稱為 trustless，但我們仍然需要確保項目的 ZK 協議和應用的代碼和架構是正確的。 區塊鏈領域中存在多種 ZK 錯誤。例如，由于 zkEVM 的 ZK 電路代碼庫龐大的問題，Vitalik 談到了 ZK 應用程序的多證明者的需求。

因此，ZK 系統可能需要與形式驗證等安全工具或 Ecne 等其他安全相關工具搭配使用。應用程序級別，它需要更多的審計，特別是對于像 zkEVM 這樣的大項目。

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