從技術原理出發 批判“加密顯學”零知識證明_區塊鏈

原文：《CriticismonZK》bymsfew

*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。

?證明生成性能

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。

a)Benchmark

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。

工信部電子五所相里朋：從技術角度看 區塊鏈監管需從三個方面實現:工信部電子第五研究所區塊鏈創新團隊負責人、高級工程師相里朋表示，關于區塊鏈的有效監管，應形成區塊鏈系統柔性監管平臺，實現對各類區塊鏈系統的實時態勢感知，監控非法交易、欺詐行為、非法信息發布等各類非法行為。從技術角度看，區塊鏈監管需從以下三個方面實現：一是整合鏈上鏈下數據，以及不同區塊鏈系統的數據，形成統一的綜合性區塊鏈信息庫，并實現高效智能的信息檢索查詢管理；二是實現對區塊鏈系統中各種交易模式的識別，進一步分析識別出非法的交易行為；三是分析區塊鏈鏈上數據中的非法輿情信息，以及鏈下的互聯網和現實中的區塊鏈相關輿情信息，實現全面的區塊鏈輿情感知。（證券日報）[2021/3/26 19:19:11]

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。

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]

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。

分析師：從技術上講比特幣可能需要數月才能修復:Fundstrat Global Advisors LLC的技術策略師Rob Sluymer表示，比特幣已經跌破了2015年至2020年的上升趨勢，其價格走勢“嚴重受損”。就目前而言，從技術上講，比特幣可能需要數月才能修復。（彭博社）[2020/3/20]

對于具體的SNARK性能測試，a16zcrypto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：

“InGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsInGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsthataren'tpairingfriendly.,thisresultsinatleastanadditionalfactor-6slowdownrelativetothe100-|C|estimateabove.”

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。

ModulusLabs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。

b)遞歸和批處理

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。

c)硬件加速

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。

Security

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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