撰文：HashKey Capital
当前区块链行业里零知识证明项目（ZKP）增速惊人，特别是 ZKP 在扩容和隐私保护两个层面应用的崛起，令我们接触到了各种花样繁多的零知识证明项目。由于 ZKP 极富数学性的特质，对于加密爱好者来说，想要深度了解 ZK 的难度大幅提升。因此我们也希望从头梳理 ZKP 理论和应用层面的一些变化，与读者一起探索对于 crypto 行业的影响和价值——通过几篇报告的形式共同学习，也作为 HashKey Capital 研究团队的思考总结。本篇是该系列的第一篇，主要介绍 ZKP 的发展历史、应用和一些基本原理。
现代零知识证明体系最早来源于 Goldwasser、Micali 和 Rackoff 合作发表的论文：The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems（即 GMR85），该论文提出于 1985 年，发表于 1989 年。这篇论文主要阐释的是在一个交互系统中，经过 K 轮交互，需要多少知识被交换，从而证明一个证言（statement）是正确的。如果可以让交换的知识为零，则被称之为零知识证明。这里面会假设证明者（prover）具有无限资源，而验证者（verifer）只具有有限资源。而交互式系统的问题在于证明不完全是数学上可证的，而是概率意义上正确的，虽然概率很小 (1/2^n)。
所以交互式系统并不完美，只有近似完备性，以此为基础诞生的非交互式系统（NP）系统则具有完备性，成为零知识证明系统的完美所选。
早年的零知识证明系统在效率以及可用性方面都有所欠缺，所以一直都停留在理论层面，直到最近 10 年才开始蓬勃发展，伴随着密码学在 crypto 成为显学，零知识证明走向台前，成为至关重要的一个方向。特别是发展出一个通用的、非交互的、证明大小有限的零知识证明协议，是其中最关键的探索方向之一。
MolochDAO推出基于零知识证明的“隐私池”加密混合服务:3月7日消息，为以太坊基础设施项目提供资金支持的去中心化自治组织MolochDAO推出基于零知识证明的“隐私池”加密混合服务，旨在保护链上交易时的隐私，同时还允许用户证明他们遵守当地法规。
据悉，MolochDAO的隐私池（Privacy Pools）将利用零知识证明这一隐私保护技术，使用户能够证明他们正在将受制裁的钱包列入黑名单，同时无需透露他们是谁，也无需披露全部交易历史。（The Defiant）[2023/3/7 12:46:33]
基本上零知识证明就是要在证明的速度、验证的速度和证明体积的大小之间做取舍，理想的协议是证明快、验证快、证明体积小。
零知识证明最重要的突破是 Groth 在 2010 年的论文 Short Pairing-based Non-interactive Zero-Knowledge Arguments，也是 ZKP 里面最重要的一组 zk-SNARK 的理论先驱。
零知识证明在应用上最重要的进展就是 2015 年 Z-cash 使用的零知识证明系统，实现了对交易及金额隐私的保护，后来发展到 zk-SNARK 和智能合约相结合，zk-SNARK 进入了更为广泛的应用场景。
在此期间，一些重要的学术成果包括：
2013 年的 Pinocchio (PGHR13)：Pinocchio: Nearly Practical Verifiable Computation，将证明和验证时间压缩到适用范围，也是 Zcash 使用的基础协议。
2016 年 的 Groth16：On the Size of Pairing-based Non-interactive Arguments，精简了证明的大小，并提升了验证效率，是目前应用最多的 ZK 基础算法。
OKX将升级储备证明，包括full liability tree披露和用于偿付能力验证的零知识证明:3月2日消息，OKX宣布将在未来几个月内升级其储备证明（PoR），包括full liability tree披露和用于PoR偿付能力验证的零知识证明（ZKP）。升级建立在OKX当前的Merkle tree解决方案之上，以确保最大程度的透明度，同时增强客户隐私，具体安排如下：
- full liability tree：此升级将在即将发布的3月PoR报告中生效，允许任何人下载Full liability Merkle tree，从而提高透明度。同时，它将通过将每个用户的余额分割和转移到几个部分（分割叶节点）来维护帐户余额的隐私；
- 零知识证明：这一升级将在未来几个月生效，是一种防篡改的加密方法，允许用户验证所有客户存款都被计入，并通过比较用户资产净值与交易所储备来保证偿付能力。[2023/3/2 12:39:00]
2017 年的 Bulletproofs (BBBPWM17) Bulletproofs: Short Proofs for Confidential Transactions and More，提出了 Bulletproof 算法，非常短的非交互式零知识证明，不需要可信的设置，6 个月以后应用于 Monero，是非常快的理论到应用的结合。
2018 年 的 zk-STARKs (BBHR18) Scalable, transparent, and post-quantum secure computational integrity，提出了不需要可信设置的 ZK-STARK 算法协议，这也是目前 ZK 发展另一个让人瞩目的方向，也以此为基础诞生了 StarkWare 这个最重量级的 ZK 项目。
以太坊生态零知识协议Semaphore发布V2版本:7月7日消息，以太坊生态针对开发者的零知识协议 Semaphore 推出 V2 版本，更新内容包括不再需要拥有 EdDSA 私钥，从而实现更简单的电路（circuit）和更高效的零知识证明生成；用于身份承诺和 Merkle 树的哈希函数从 MiMC 迁移到 Poseidon，将证明时间减半并提高了 Gas 效率；合约模块化、三个新的 JavaScript 库等。
Semaphore 最早由以太坊社区成员 Kobi Gurkan、Koh Wei Jie 和 Barry Whitehat 提出，在 2019 年发布 V1 版，可以让以太坊用户可以证明他们的群组成员身份，并在不透露原始身份的情况下发送诸如投票或支持的信号。Semaphore 不是面向用户的应用程序，旨在为以太坊开发人员提供强大而简单的工具，以使用私有凭据构建 DApp。[2022/7/7 1:57:35]
其他的发展包括 PLONK、Halo2 等也是极为重要的进展，也对 zk-SNARK 做出了某些层面上的改进。
零知识证明最广泛的两个应用就是隐私保护和扩容。早期随着隐私交易和几个有名的项目 Zcash 和 Monero 等推出，隐私交易一度成为非常重要的门类，但由于隐私交易的必要性并没有业界希望的那样突出，因此这一类代表性项目开始慢慢进入二三线的阵营（不是退出历史舞台）。而应用层面，扩容的必要性提升到无以复加，随着以太坊 2.0（已经改名叫 consensus layer）在 2020 年转变为以 rollup 为中心的路线，ZK 系列正式又回归业界的视线，成为焦点。
隐私交易：隐私交易有很多已经实现的项目，包括使用 SNARK 的 Zcash，Tornado,使用 bulletproof 的 Monero, 以及 Dash。Dash 严格意义上用的不是 ZKP，而是一种简单粗暴的混币系统，只可以隐藏地址而不能隐藏金额，在此略过不表。
DoraHacks平台开始支持基于零知识证明的隐私二次方资助:据官方消息，DoraHacks开发者激励平台HackerLink已经完成整合Dora Factory隐私投票模块MACI，并开始支持基于零知识证明的二次方投票和二次方资助轮次。
MACI（最小化抗共谋基础设施）是Dora Factory以太坊工厂的核心模块之一，通过对投票进行加密以及对结果提供零知识证明，实现隐私投票，将链上和链下治理的投票过程转化为非合作博弈，以达到抗共谋的目的。
DoraHacks对MACI代码中的安全性和效率问题进行了系统性优化。ETH Denver 2022将于2月20日与DoraHacks共同推出第一个中等规模的MACI二次方资助轮次，超过2,000名开发者和10,000名参会者将通过DoraHacks平台进行零知识二次方投票，这是MACI和链上隐私投票的第一次中等规模应用。[2022/1/28 9:19:46]
Zcash 应用的 zk-SNARKs 交易步骤如下：
System setup 阶段生成证明秘钥（加密证明多项式）和验证秘钥，借助 KeyGen function
CPA 阶段 ECIES 加密方法（Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme）用来生成公钥和私钥
Minting Coins 阶段，生成新币的数量。公共地址和币的 commitment
Pouring 阶段，生成 zk-SNARK 证明，证明被加到了 pour 交易账本中
门罗币完成零知识证明系统Bulletproofs+代码审计:2月15日，门罗币官方发推称，完成零知识证明系统Bulletproofs+代码审计。此前消息，零知识证明系统Bulletproofs+代码获准可在门罗币协议中使用。随后官方计划筹集90.3 XMR以进行零知识证明系统Bulletproofs+审计。[2021/2/15 19:49:05]
Verification 阶段，验证者验证 Mint 和 Pour 的交易量是否正确
Receiving 阶段，receiver 接收币。如果想使用收到的币，则继续调用 Pouring，形成 zk-SNARK 验证，重复上述 4-6 的步骤，完成交易。
Zcash 使用零知识还是有局限性的，就是其基于 UTXO, 所以部分交易信息只是被 shield 了，而不是真正的掩盖。因为其基于比特币的设计的单独网络，所以难以扩展（和其他应用结合）。真正使用 shielding（即隐私交易）的使用率只有不到 10%，说明隐私交易并没有很成功的扩展。（from 2202）
Tornado 使用的单一大混币池更加通用，而且基于以太坊这样“久经考验”的网络。Torndao 本质上就是一个用了 zk-SNARK 的混币池，可信设置基于 Groth 16 的论文。Tornado Cash 可以提供的特性包括：
只有被存进去的 coin 可以被提取
没有币可以被提取两次
证明过程和币的废止通知（Nullifier）是绑定的，相同证明但不同 Nullifier 的哈希不会允许提币
安全性有 126-bit 的安全，不会因为 composition 而降级
Vitalik 提到过，和扩容相比，隐私相对比较容易实现，如果一些扩容的 protocol 都可以成立的话，隐私基本上不会成为问题。
扩容：ZK 的扩容可以在一层网络上做，如 Mina，也可以在二层网络上做，即 zk-roll up. ZK roll up 的思路可能最早来自于 Vitalik 于 2018 的 post，On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validation。
ZK-rollup 有两类角色，一类是 Sequencer, 还有一个是 Aggregator。Sequencer 负责打包交易，Aggregator 负责将大量的交易合并并创造一个 rollup, 并形成一个 SNARK 证明（也可以是基于其他算法的零知识证明），这个证明会和 Layer1 以前的状态进行比较，进而更新以太坊的 Merkle 树，计算新的状态树。
Source: Polygon
ZK rollup 的优缺点：
优点：费用低，不像 OP 会被经济攻击，不需要延迟交易，可以保护隐私，快速达成最终性
缺点：形成 ZK 证明需要大计算量，安全问题（SNARK 需要一个可信设置），不抗量子攻击（SNARK, STARK 可以），交易顺序可能被改变
Source: 以太坊 research
根据数据可用性以及证明的方法，Starkware 对 L2 有一张经典的分类图（Volition 的数据可用层可以在链上和链下选择）：
Source: Starkware
目前市场上最有竞争力的 ZK rollup 项目有：Starkware 的 StarkNet，Matterlabs 的 zkSync 和 Aztec 的 Aztec connect，Polygon 的 Hermez 和 Miden，Loopring，Scroll 等。
基本上技术路线就在于 SNARK( 及其改进版本 ) 和 STARK 的选择，以及对 EVM 的支持（包括兼容还是等同）。
Aztec 开发了通用化的 SNARK 协议 -Plonk 协议，运行中的 Aztec3 可能会支持 EVM，但是隐私优先于 EVM 兼容
Starnet 用的是 zk-STARK，一种不需要可信设置的 zkp，但是目前不支持 EVM，有自己的编译器和开发语言
zkSync 也是用的 plonk，支持 EVM。zkSync 2.0 是 EVM 兼容的，有自己的 zkEVM
Scroll， 一种 EVM 兼容的 ZK rollup, 团队也是以太坊基金会 zkEVM 项目的重要贡献者
简要讨论下 EVM 兼容性问题：
ZK 系统和 EVM 的兼容一直令人头疼，一般项目会在两者间取舍。强调 ZK 的可能会在自己的系统里做一个虚拟机，并有自己的 ZK 语言以及编译器，但会加重开发者的学习难度，而且因为基本上不开源，会变成一个黑箱子。一般业界目前是两种选择，一是和 Solidity 的操作码完全兼容，另一种是设计一种新的虚拟机同时 ZK 友好并兼容 Solidity。业界一开始也没有想到可以这么快的融合，但是近一两年技术的快速迭代，让 EVM 的兼容提升到一个新高度，开发者可以做到一定程度的无缝迁移（即以太坊主链到 ZK rollup），是振奋人心的进展，这将影响 ZK 的开发生态和竞争格局。我们会在之后的报告中仔细讨论这个问题。
Goldwasser、Micali 和 Rackoff 提出了零知识证明有三个性质：
完整性（Completeness）：每一个拥有合理见证的声明（statement），都是可以被验证者验证的
可靠性（Soundness）：每一个只拥有不合理见证的声明，都不应该被验证者验证
零知识（Zero-knowledgeness）：验证过程是零知识的
所以为了了解 ZKP, 我们从 zk-SNARK 开始，因为很多目前的区块链应用都是从 SNARK 开始。首先，我们先了解一下 zk-SNARK。
zk-SNARK 的意思是：零知识证明（zh-SNARK）是 zero-knowledge Succint Non-interactive ARguments of Knowledge。
Zero Knowledge：证明过程零知识，不会暴露多余信息
Succinct：验证体积小
Non-interactive：非交互过程
ARguments：计算具备可靠性，即有限计算能力的证明者不能伪造证明，无限计算能力的证明者可以伪造证明
of Knowledge：证明者无法在不知道有效信息的情况下构建出一个参数和证明
对于证明者来说，在不知道证据（Witness，比如一个哈希函数的输入或者一个确定 Merkle-tree 节点的路径）的情况下，构造出一组参数和证明是不可能的。
Groth16 的 zk-SNARK 的证明原理和如下：
Source： https://learnblockchain.cn/article/3220
步骤是：
将问题转换为电路
将电路拍平成 R1CS 的形式.
R1CS 转换成 QAP（Quadratic Arithmetic Programs）形式
建立 trusted setup, 生成随机参数，包括 PK (proving key)，VK(verifying key)
zk-SNARK 的证明生成和验证
下一篇我们将开始研究 zk-SNARK 的原理、应用，通过几个案例来透视 ZK-SNARK 的发展，并探索它与 zk-STARK 的关系等。
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