深度解讀零知識證明在Web3領域的應用與未來方向_ZKP

原文標題：ZKPsinWeb3:NowandtheFuture

原文作者：MohamedFouda、QiaoWang

原文編譯：ChinaDeFi

零知識技術(簡稱ZK)是一種使能技術，它不僅將改變Web3，還將改變其他行業。它是一種可以通用的技術，具有大量的用例。我們正處于弄清這項技術所能實現的所有用例的早期階段。一些明顯的ZK用例已經有了實際的應用程序，如啟用交易隱私和數據壓縮，即Rollup。然而，要使ZK獲得主流采用，仍然需要許多潛在的用例和技術進步。

在本文中，我們將首先回顧ZKP的不同應用。然后會討論什么可以使這項技術的下一階段成為可能，以及關于一些可以從這項技術中受益的初創公司的想法。

ZKP應用程序

零知識證明(ZKP)自發明以來就在加密行業中找到了強大的立足點。ZKP確實有一些「魔法」，使這項技術非常令人興奮。在較高的級別上，ZKP允許實體向世界的其他部分證明他們知道一條信息，或者他們已經正確地完成了一項任務，而無需透露該信息或顯示任務執行的細節。ZK的神奇數學允許我們通過檢查生成的ZKP來信任知識或信任執行已完成。因此，ZKP的第一個也是最一致的用例是關注隱私的加密網絡。ZKP還用于在以太坊L1上提供以太坊L2交易的有效性證明，以引入ZK-Rollup的概念。此外，ZKP還在不同的項目中發現了其他小眾應用。

關注隱私的支付和協議

ZKP原生的會保護隱私，特別是在去中心化的網絡中，缺乏一個可以作為真相來源的中心化機構。ZKP允許Web3用戶(證明者)向網絡驗證者(驗證者)證明他們的交易是有效的，同時他們不需要透露交易細節，如交易金額，發送者或接收者地址。

ZKP最初是為了支持Zcash網絡中的隱蔽功能，即私人支付，其后又擴展到其他網絡。實施私人支付網絡包括：

關注隱私的L1：Zcash、Horizon、Aleo和IronFish

清華大學互聯網產業研究院召開研討會總結區塊鏈將會深度應用于鄉村振興:11月9日消息，區塊鏈賦能鄉村振興閉門研討會近日在清華大學互聯網產業研究院召開，共40余位來自政府、高校等相關行業的專家學者和企業家代表探討后認為未來區塊鏈將會更深度的應用于鄉村振興。目前，清華大學互聯網產業研究院產業區塊鏈研究中心已在道地藥材、畜牧業、種植業等行業進行了多種嘗試和研究，幫助農業資產上鏈。[2021/11/9 6:41:04]

通用鏈上的隱私智能合約：TornadoCash

注重隱私的L2：Aztec

ZK-Rollup?驗證

ZKP的另一個主要用例是在底層L1上生成Rollup有效性證明。通用Rollup決定不用ZKP的隱私特性，這樣就可以優化吞吐量，即證明更多的TX。在這種權衡中，ZKP僅作為L2交易執行正確性的證明。

由于一些通用函數不能被有效地證明，生成ZKP來證明任意智能合約的正確執行是很困難的。解決這個問題需要專門的VM，這些VM可以使用底層ZK電路有效地進行驗證。由于這種復雜性，ZK-Rollup最初只支持支付或單個應用程序，例如，可以很容易地生成ZKP的DEX。這里的例子包括ZKSync1.0和Loopring。之后，通用的zkEVM實現開始出現在市場上，包括Starknet、zkSync2.0、PolygonzkEVM和Scroll。目前，所有ZK-Rollup都在以太坊上，但也有可能在包括比特幣在內的其他鏈上實現ZK-Rollup。然而，實施比特幣Rollup將需要改變比特幣操作碼和硬分叉鏈，這通常不受比特幣社區的歡迎。

其他ZKP應用程序

除了關注隱私的應用程序和Rollup之外，我們還在其他區塊鏈協議中發現了其他應用程序。本節將介紹這些用例。

Mina

Mina使用ZKP將區塊鏈狀態壓縮到一個很小的尺寸(~22KB)。為了實現這一點，Mina使用遞歸ZKP，即其他ZKP的ZKP。當在Mina網絡中生成一個區塊時，ZK-SNARK用于生成該區塊的證明，以確保其有效性。當新區塊引用以前的區塊時，新區塊的ZKP會驗證所有以前的區塊，同時保持恒定的大小。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

Filecoin

Filecoin使用ZKP來確保存儲提供者正確地存儲了他們聲稱要存的數據。這個過程稱為復制證明(PoReb)。在這個過程中，存儲提供者生成ZKP來證明它們存儲的是數據的唯一副本，也就是說，沒有引用由另一個提供者維護的副本。此外，由于證明的大小比存儲的數據小得多，使用ZKP減少了存儲提供者的帶寬需求。

CeloPlumo

CeloPlumo使用ZKP來創建可以在手機和其他資源有限的設備上使用的超輕型網絡客戶端。盡管客戶端是輕量級的，但它保證了所訪問狀態的正確性。

DarkForest

DarkForest是ZKP游戲領域中最受歡迎的應用。盡管ZKP的使用符合隱私用例，但把它用于創建不完全信息游戲的應用確實是比較獨特的，超越了ZKP在支付網絡中的金融應用范圍。

ZKP及其應用的發展軌跡

在2016年之前，ZKP只是一個研究課題，只在少數學術圈子內被討論。當Zcash創始團隊創建了ZKP變體ZK-SNARK的第一個可生產實現，以支持Zcash網絡中的屏蔽/私人交易時，這一切都改變了。有了真實的用例，對ZKP的興趣也就愈加濃郁，從而也產生了更好的ZKP變體，這也成為第一節中討論的許多項目的基礎。然而，該技術要實現主流采用還需要進一步的ZKP開發。

全國人大代表張學群：要大力推進區塊鏈等與司法工作深度融合:全國人大代表、遼寧省高級人民法院院長張學群表示，要大力推進互聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、5G等科技創新成果與司法工作深度融合，加快推進智慧審判、智慧執行、智慧服務、智慧管理，充分利用現代科技智能化、精準化、可視化等特點，有效解決長期制約人民法院的深層次矛盾問題。（人民日報）[2020/7/2]

為了了解如何進一步改進這項技術，我們可以借鑒類似的技術，如人工智能。在許多方面，ZKP技術類似于人工智能技術，預計也將遵循類似的軌跡。和ZKP一樣，人工智能一開始也是一項很有前途的技術，可以解決很多問題。然而，最初的人工智能算法在能力上受到限制，計算復雜度遠遠超過了現有硬件的能力。這使得人工智能應用的開發和使用變得緩慢和不切實際，使得人工智能就局限在了研究實驗室里。通過發明DNN等新架構并利用GPU來提高執行速度，現在正在逐步改進。這最終帶來了一些突破，比如2012年的AlexNet，它以巨大的優勢贏得了最著名的計算機視覺比賽ImageNet。

AlexNet是人工智能時代的開始，催生了當前的人工智能應用程序，如GPT-3,Dall.E2和StableDiffusion。

ZKP今天的狀態類似于AI早期的狀態，AI是一項有前途的技術，仍在積極開發中，只是計算密集型導致其驗證時間過長。從AI的經驗中，我們可以確定ZKP技術起飛需要解決一些問題。

算法/電路改進

與AI從LeNet-5到AlexNet到Resnet-50到Transformer的發展方式相同，ZKP算法將經歷發展階段，其會帶來性能的顯著提高。其實我們已經看到了這方面的進展。自2011年引入ZK-SNARK以來，我們已經開發出了更先進的算法。2018年，Starkware的創始人開發了STARK，這是一種ZKP方法，不需要可信設置，證明生成時間更短。這項技術是Starkware公司包括StarkNet在內的幾款產品的基礎。

新浪與五糧液“云簽約” 將在區塊鏈等前沿技術應用領域進行深度合作:3月30日，新浪與五糧液戰略合作簽約舉辦了“云發布會”，雙方宣布將在品牌建設、新媒體智慧營銷、區塊鏈前沿技術應用等領域進行深度合作。五糧液李曙光董事長表示，數字化營銷是五糧液營銷轉型堅定不移的方向，與新浪的戰略合作，將在消費者服務、新媒體智慧營銷、區塊鏈前沿技術應用等領域樹立一個新樣板，也為名酒的價值發現提供一個新平臺。這次白酒區塊鏈項目推出是開拓線上市場的新舉措，是新浪為中國白酒營銷模式創新的全新賦能。（證券日報）[2020/3/30]

隨著2019年PLONK的引入，ZKP得到持續發展，這是一種SNARK實現，其允許許多應用程序使用單個受信任的設置，而無需進行重復設置。PLONK刺激了多種實現的開發，這些實現被多種Web3協議使用。

優化執行引擎

ZKP的一個主要限制是計算的復雜性，這導致了證明時間過長。例如，最近Polygon發布的zkEVM實現了在64核服務器上用5分鐘生成500kgas計算的證明。提高ZKP驗證時間是ZKP技術主流化的關鍵。與AI類似，優化軟件執行引擎和使用專用硬件都是實現這一目標的必要條件。

優化軟件

許多ZKP生成操作是大規模并行的，這也就意味著并行處理，例如GPU，可以加速ZKP的計算。專用的GPU庫(如CUDA)可以用于加速NvidiaGPU上ZKP的計算。由于每個項目都使用不同的ZKP算法，因此有幾個項目正在嘗試在內部開發這種算法。這里顯著的例子是Filecoin對Groth16算法的實現，該算法使用GPU來加速證明過程。另一個例子是Edgeswap使用GPU將PLONK的證明時間縮短了75%。

專用硬件

由于GPU通常使得ZKP驗證時間的改進有限，在這種情況下，我們的另一種選擇是使用專用硬件，如FPGA或ASIC。FPGA通常被認為是在制造專用芯片(即ASIC)之前的硬件原型平臺。FPGA、或者結合了GPU和FPGA的混合解決方案，可以在中短期內，在加速中心化網絡和以隱私為重點的網絡的ZKP方面發揮重要作用。然而，如果ZKP技術發展到我們預期的水平，ASIC將最終贏得這個市場。目前，ZKP的硬件加速還沒有得到充分解決，這可能是因為ZKP算法的多樣性和碎片化。然而，我們相信，有了正確的商業模式，一些初創公司可以專注于開發和貨幣化這部分技術堆棧。

聲音 | 甘肅省廳王立朝：區塊鏈等現代科技已經與工作深度融合:12月13日，甘肅省高級人民法院、甘肅省人民檢察院、甘肅省廳聯合召開新聞發布會通報追逃攻堅專項行動成果。甘肅省廳黨委委員、副廳長王立朝表示，當前正處于信息化社會，大數據、人工智能、區塊鏈等現代科技已經與工作深度融合，機關對人、地、物、事、組織、網絡等基礎要素已經具備了全方位掌控能力，布建起了社會治安防控的天羅地網。正是有了這些新技術新手段，在行動中我們日均抓獲在逃人員28名，其中單日抓獲的最高紀錄達到了60名。[2019/12/13]

軟件抽象層

為了釋放ZKP的潛力，需要構建幾個抽象層和工具。這些抽象對于簡化ZKP應用程序的開發過程是非常必要的，而且應該允許每一組開發人員專注于他們最擅長的工作。例如，應用程序開發人員不應該擔心ZK電路的底層細節及其工作方式。再次使用AI的類比，通過創建多個抽象層，AI可能取得巨大進步。使用這些抽象，AI應用程序開發人員不需要擔心硬件資源分配。TensorFlow和PyTorch等框架抽象了所有這些底層細節。

ZK開發棧還沒有AI開發棧那么完善。然而，構建這些抽象需要一些努力。在堆棧的底部存在低級ZKP庫，如PLONK和STARK。在這一層之上，像Noir這樣的高級語言試圖抽象出底層的ZK密碼學，并幫助應用程序開發人員專注于應用程序邏輯。Circom是另一種流行的ZKP語言，它位于這兩層之間，因為它既可以用于創建復雜的ZK后端，也可以用于開發基于ZKP的應用程序。

Web3中ZKP抽象的另一個例子是StarkWare的Cairo語言，它允許開發人員實現在底層使用STARK證明的通用智能合約。為了提供進一步的抽象，Nethermind的Warp工具允許Solidity開發人員將他們的Solidity代碼直接轉換為Cairo。使用Warp，可以將UniswapV3代碼轉換為Cairo，只需要對原始的Solidity代碼進行最少的改動。

ZKP創業機會

基于對ZKP可能的發展路徑的討論，我們已經確定了一些與ZKP相關的創業想法。具體想法可分為兩組：工具和應用程序。

ZKP工具

高級開發框架

類似于AI中的Tensorflow和PyTorch，高級ZKP開發框架對于解鎖應用級別的創新至關重要。這些框架需要：

抽象底層ZKP后端的復雜性；

支持各種ZKP后端和硬件環境，例如CPU和GPU；

可進行高效的調試和測試；

提供具有示例和教程的豐富開發環境。

以太坊生態系統中最接近的例子是Hardhat和Foundry，但它們不太可能很快支持zkEVM或ZKP。

ZK-RollupSDK

ZK-Rollup越來越流行，可以為游戲或高吞吐量的DeFi協議啟用特定于應用程序的L2。在這個場景中，ZK-Rollup主要進行執行和結算，而L1將處理共識和數據可用性。然而，啟動特定于應用程序的ZK-Rollup仍然非常復雜。我們相信，提供開發人員友好的SDK來發布自定義ZK-Rollup的初創公司將解決真正的業務需求，并可以通過提供開發工具箱、開發人員服務、測序器服務和支持基礎設施來成為有價值的企業。

ZKP硬件加速器

瞄準特定用例并建立早期市場領先地位的專業硬件公司被證明是非常有價值的公司。當英偉達專攻人工智能硬件，成為北美最有價值的半導體公司時，人工智能領域就是如此。比特幣挖礦領域也是一樣，Bitmain、Canaan和Whatsminer通過專攻ASIC挖礦成為獨角獸。設計和制造高效ZKP硬件加速器的公司也很可能將遵循同樣的軌跡。

ZKPWeb3應用程序

ZK橋和互操作性

ZKP可用于為跨鏈消息傳遞協議創建有效性證明，其中跨鏈消息可以在目標鏈上被快速驗證。這類似于在底層L1上驗證ZK-Rollup的方式。然而，對于跨鏈消息傳遞，由于要驗證的簽名方案和加密函數在源鏈和目標鏈之間可能不同，因此復雜性更高。

ZK鏈上游戲引擎

DarkForest證明了ZKP可以使信息不完整的鏈上游戲成為可能。這對于更具互動性的游戲設計至關重要，因為在這些游戲中，玩家的行為是保密的，直到他們決定將其公之于眾。隨著鏈上游戲的成熟，我們希望ZKP成為游戲執行引擎的一部分。對于成功將隱私功能集成到高吞吐量鏈上游戲引擎中的初創公司來說，機會是巨大的。

身份解決方案

ZKP在身份領域中擁有多個機會。它們可以用于信譽或連接Web2和Web3身份。目前，我們的Web2和Web3身份是分開的。Clique等項目通過使用預言機連接這些身份。通過啟用Web2和Web3身份的匿名鏈接，ZKP可以將這種方法更進一步。這可以為那些使用Web2或Web3數據證明特定領域專業知識的人啟用匿名DAO成員的用例。另一個用例是基于借款人的Web2社會地位(例如Twitter追隨者數量)的無擔保Web3貸款。

用于法規遵從性的ZKP

Web3使匿名在線賬戶能夠積極參與金融系統。從這個意義上說，Web3實現了巨大的金融自由和包容性。隨著Web3法規的增加，ZKP可以用于遵從而不破壞匿名性的活動。ZKP還可用于證明投資者身份或任何其他KYC/AML要求。

原生Web3私人債務融資

TradeFi債務融資通常用于支持成長型初創公司，以加速其增長或啟動新的業務線，而無需籌集額外的風險投資。Web3DAO和匿名公司的興起為Web3原生債務融資創造了機會。例如，通過使用ZKP、DAO或匿名公司可以根據其增長指標的證明以具有競爭力的利率獲得無抵押貸款，而無需向貸方透露借款人的信息。

私人DeFi

金融機構通常不公開自己的交易歷史和風險敞口。由于鏈分析的不斷進步，當使用鏈上協議(例如DeFi協議)時，要滿足這一點是具有挑戰性的。一種可能的解決方案是開發以隱私為中心的DeFi產品，以保護協議參與者的隱私。一個正在嘗試實現這一愿景的協議是Penumbra的zkSwap。此外，Aztec的zk.money通過模糊用戶參與的DeFi協議，提供了一些私人DeFi的賺錢機會。一般來說，成功實現高效且注重隱私的DeFi產品協議可以從機構參與者那里獲得可觀的收入。

Web3廣告的ZKP

Web3推動了讓用戶擁有自己的數據的潮流，例如瀏覽歷史、私人錢包活動等。Web3還為用戶的利益支持這些數據的貨幣化。由于數據貨幣化可能與隱私相矛盾，ZKP可以控制個人數據的哪些方面允許透露給廣告商和數據聚合商。

私人數據的共享和貨幣化

如果與正確的實體共享，我們的許多私人數據都可以產生很大的影響。個人健康數據可以通過眾包來幫助研究人員開發新藥。私人財務記錄可以與監管機構和監督機構共享，以發現和懲罰不當行為。ZKP可以實現這種數據的私人共享和貨幣化。

私人治理

DAO和鏈上治理正在被普及，當前治理模式的一個主要缺陷是參與的非隱私性。ZKP是解決這個問題的基礎。治理參與者可以在不透露投票方式的情況下進行投票。此外，ZKP可以限制治理提案對DAO成員的可見性，從而使得DAO建立競爭優勢。

結論

ZKP技術是Web3領域中最具創新性的技術之一。它為突破性協議和公司提供了一些機會。

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