區(qū)塊鏈零知識證明技術(shù)的應(yīng)用原理解析

前幾天在魔笛社區(qū)分享了三個(gè)zk-SNARK技術(shù)應(yīng)用的場景，可以讓大家zk-SNARK（Groth16）技術(shù)和場景的結(jié)合有初步的認(rèn)識。

1. 隱私：ZCash項(xiàng)目

Zcash項(xiàng)目，大家都知道是“隱私交易”。Zcash代表了zk-SNARK的一個(gè)應(yīng)用方向：隱私。隱私有不同的程度，ZCash的隱私交易指的是隱藏交易的發(fā)送方，接收方以及交易金額。Zcash已經(jīng)經(jīng)歷過三個(gè)版本：Sprout， Overwinter，Sapling。這三個(gè)版本本質(zhì)上都沒有太大的變化，只是支持的功能更多，生成證明更快，體驗(yàn)更好。

一筆轉(zhuǎn)賬用Note來表示，包括轉(zhuǎn)賬的金額v和一個(gè)隨機(jī)數(shù)。Note有兩個(gè)外在的表現(xiàn)形式：一個(gè)是Commitment，一個(gè)是Nullifier。Commitment和Nullifier都是通過不同的Hash函數(shù)生成。Commitment代表一次金額轉(zhuǎn)入，Nullifier代表一次消費(fèi)。注意，對于一個(gè)Note，Commitment和Nullifier都是唯一的。因?yàn)镃ommitment和Nullifier是Hash的結(jié)果，即使這兩個(gè)數(shù)據(jù)公開，其他人也無法推斷出Commitment和Nullifier之間存在聯(lián)系。也就是說，提供一個(gè)Commitment，能說明進(jìn)行了一筆轉(zhuǎn)賬（具體信息其他人未知）。能提供對應(yīng)的Nullifier，就能消費(fèi)。

區(qū)塊鏈，作為一個(gè)隱私轉(zhuǎn)賬平臺，將所有的Commitment（cm），組成一個(gè)Merkle樹：

某個(gè)用戶需要消費(fèi)某個(gè)cm，必須向區(qū)塊鏈提供零知識證明：

1/ 他知道一個(gè)Note，并能生成一個(gè)cm，而且這個(gè)cm在以rt為樹根的Merkle樹上

2/ 用同樣的Note信息，能生成一個(gè)nullfier，而且這個(gè)nullfier之前沒有生成過。

以上只是最簡單的概括Zcash零知識證明的大體思路，ZCash的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)，有很多細(xì)節(jié)。順便說一句，理解ZCash，只需要看ZCash的白皮書protocol.pdf。理解了白皮書的設(shè)計(jì)，看源代碼非常直接。

這就是零知識證明的一個(gè)重要的運(yùn)用方向 - 隱私，現(xiàn)實(shí)中還有很多應(yīng)用類似技術(shù)的項(xiàng)目：EYBlockchain（EY，安永），Quorum（JPMorgan）。

2. 鏈上數(shù)據(jù)壓縮：Filecoin項(xiàng)目

Filecoin是存儲行業(yè)比較熱門的項(xiàng)目。Filecoin想搭建一個(gè)去中心化的存儲交易平臺。去中心化的存儲，有個(gè)核心問題，怎么證明存儲提供方，真實(shí)有效的存儲了指定的數(shù)據(jù)。Filecoin是通過PoREP以及PoST算法實(shí)現(xiàn)（其中就包括零知識證明）。

PoREP是數(shù)據(jù)存儲證明算法（證明用戶數(shù)據(jù)被正確的處理）。PoRep算法的全稱是ZigZag-DRG-PoRep。

Sector中未Seal的原始數(shù)據(jù)首先依次分成一個(gè)個(gè)小數(shù)據(jù)，每個(gè)小數(shù)據(jù)32個(gè)字節(jié)。這些小數(shù)據(jù)之間按照DRG（Depth Robust Graph）建立連接關(guān)系。按照每個(gè)小數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系，通過VDE（Verifiable Delay Encode）函數(shù)，計(jì)算出下一層的所有小數(shù)據(jù)。整個(gè)PoRep的計(jì)算過程分為若干層（目前代碼設(shè)置為4層），仔細(xì)觀察每一層的DRG關(guān)系的箭頭方向，上一層向右，下一層就向左，因此得名ZigZag（Z字型）。

每一層的輸入稱為d（data），每一層的VDE的結(jié)果稱為r（replica）。對每一層的輸入，建構(gòu)默克爾樹，樹根為comm_d， 整個(gè)樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為tree_d。對每一層的輸出，建構(gòu)默克爾樹，樹根為comm_r，整個(gè)樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為tree_r。

簡單的說，PoREP通過零知識證明，證明每一層的數(shù)據(jù)都經(jīng)過VDE計(jì)算生成，并提供最后結(jié)果的Merkle樹的樹根。

在數(shù)據(jù)處理并存儲后，每隔一段時(shí)間，需要提交存在性證明，也就是PoST算法。PoST算法的基本思想，隨機(jī)挑選一個(gè)Merkle樹的葉子節(jié)點(diǎn)位置，需要提供出一條Merkle路徑的零知識證明。

這個(gè)零知識證明的第二個(gè)應(yīng)用方向：鏈上數(shù)據(jù)壓縮。PoREP算法，通過零知識證明證明數(shù)據(jù)已經(jīng)正確處理，并提供了處理后數(shù)據(jù)形成的Merkle樹的樹根。PoST，每隔一段時(shí)間，隨機(jī)抽選一個(gè)葉子數(shù)據(jù)，需要存儲提供者在一定的時(shí)間內(nèi)提供從該葉子數(shù)據(jù)到Merkle樹根的路徑證明。如果，處理完的數(shù)據(jù)沒有保存在一個(gè)可靠的存儲上，無法在合理的時(shí)間內(nèi)重建整個(gè)Merkle樹，也就無法提供證明。

3. 擴(kuò)展性：Loopring DEX 3.0項(xiàng)目

從2017年，路印從“環(huán)路撮合”的最初設(shè)計(jì)，經(jīng)過了1.0，2.0以及3.0的三個(gè)大的版本的協(xié)議升級。1.0/2.0，相對來說，受限以太坊本身性能的限制，交易流程復(fù)雜，體驗(yàn)和中心化交易所相比，有較大的差距。路印協(xié)議3.0，通過zk-SNARK技術(shù)，在zk Rollup的基礎(chǔ)上，結(jié)合DEX的業(yè)務(wù)場景開發(fā)設(shè)計(jì)，兼顧去中心化和交易性能。

相對1.0，2.0來說，路印協(xié)議3.0將所有的撮合邏輯都在鏈下完成。每一筆撮合（Settlement）都會生成證明并提交到鏈上，證明鏈下的撮合正確無誤。

路印協(xié)議采用和以太一致的“賬戶”模型，所有的賬戶的“狀態(tài)”（余額）都記錄在鏈下。

所有和狀態(tài)相關(guān)的操作，都是在鏈下更改，提交Proof到鏈上記錄。因?yàn)榇嬖阪溕湘溝碌臓顟B(tài)同步，賬戶的任何操作有三個(gè)狀態(tài)：

1/ Committed （操作已經(jīng)提交）2/ Verified （該操作已經(jīng)提供了相應(yīng)的Proof）3/ Finalized（之前的所有的操作都已經(jīng)提交正確的Proof）

以用戶Deposit“充值”的操作為例：

用戶轉(zhuǎn)賬到路印協(xié)議的智能合約，轉(zhuǎn)賬在鏈上確認(rèn)（鏈上完成充值）。該操作的狀態(tài)就是“Committed”。鏈下的Relay，監(jiān)測到“Committed”的狀態(tài)后，更改鏈下的狀態(tài)，生成Proof，并將證明提交到鏈上，此時(shí)該“充值”操作的狀態(tài)為“Verified” - 鏈下也已經(jīng)完成充值。如果之前的所有操作都是Verified，那該操作的狀態(tài)就是Finalized（也就是這個(gè)狀態(tài)是確定的，不會被篡改的）。

鏈下的狀態(tài)用三層的四叉Merkle樹來表示：

路印3.0，采用的是zk-SNARK的Groth16算法提供零知識證明。針對每種操作，Relay都會提供對應(yīng)的ZKP證明電路。以鏈下撮合為例，相應(yīng)的電路證明的邏輯如下：

假設(shè)Account X鏈下轉(zhuǎn)賬給Account Y。ZKP證明電路，包括：

1/ TradeHistory中Order Ox的變化導(dǎo)致TraderHistory的樹根的變化

2/ TradeHistory中Order Oy的變化導(dǎo)致TraderHistory的樹根的變化

3/ Balance Bx變化導(dǎo)致Balance的樹根的變化

4/ Balance By變化導(dǎo)致Balance的樹根的變化

5/ 兩個(gè)賬戶的Balance的變化一致

6/ Account X和Account Y賬戶的變化導(dǎo)致的Account樹根的變化

這個(gè)是零知識證明的第三個(gè)方向：擴(kuò)展性。在足夠多的交易的情況下，路印3.0的TPS在目前的以太坊上達(dá)到了350。在君士坦丁堡升級后，TPS能達(dá)到1400。每筆交易平均下來的費(fèi)用大約在1美分。

其他還有一些有意思的項(xiàng)目：其他還有 Coda（零知識遞歸證明），Mixer（混幣），zkPOD（通用數(shù)據(jù)的交易）等等有意思的場景和應(yīng)用。

總的來說，零知識證明的技術(shù)非常有意思，零知識證明就像一座橋梁，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界到數(shù)字世界的映射。