區(qū)塊鏈上零知識證明的原理解析

零知識證明（Zero-Knowledge Proof或Zero-Knowledge Protocol）是一種基于概率的驗證方法，它包括“類似事實的陳述”和“關(guān)于個人知識的陳述”。 驗證者基于一定的隨機性來詢問證明者，如果證明者給出的答案正確，那么證明者將有很大概率會擁有其所聲稱的“知識”。零知識證明可以在不透露使用哪種貨幣的情況下驗證你確實花了錢。

如今，零知識證明已經(jīng)被許多區(qū)塊鏈項目視為最好的隱私保護方案之一。能夠在不泄露數(shù)據(jù)的情況下，來證明數(shù)據(jù)的真實性。

在本文中，我們將會解釋神秘的零知識證明（Zero-Knowledge Proof）及其當前的應(yīng)用。

為什么ZKP如此重要？

數(shù)據(jù)隱私是當今社會最重要的課題之一。保護與個人身份有關(guān)的個人數(shù)據(jù)（出生日期、銀行證明、交易記錄、教育證書）是至關(guān)重要的，并且其重要性將不斷提高。

在科技時代，我們正在創(chuàng)造著前所未有的海量數(shù)據(jù)，而且我們也在不斷創(chuàng)造著關(guān)于自身的可供掠奪的數(shù)據(jù)。

像Google和Facebook這樣的大公司利用我們的數(shù)據(jù)成為了當今世界的科技巨頭。然而，最近密碼學的突破和區(qū)塊鏈的興起為保護我們的數(shù)據(jù)和身份信息提供了新方法。零知識證明或許就是答案。

零知識證明的原理

零知識證明是麻省理工學院的研究人員在20世紀80年代提出的一種加密方案。零知識證明協(xié)議是指一方（證明方）可以證明某事對另一方（驗證方）來說是真實的。除了此特定陳述屬實之外，不會透露其他任何信息。

例如，當前網(wǎng)站將用戶密碼的Hash散列值儲存在其web服務(wù)器中。為了驗證客戶端是否真的知道密碼，大多數(shù)網(wǎng)站目前使用的方法是要求客戶端輸入密碼的hash散列，并將其與儲存的結(jié)果進行比較。

零知識證明可以保護用戶賬號不被泄漏。如果可以實現(xiàn)零知識證明，那么客戶端密碼對任何人來說都是未知的，但是仍然可以對客戶端登錄進行身份驗證。當服務(wù)器受到攻擊時，用戶的賬戶仍然是安全的，因為其密碼并沒有被儲存在web服務(wù)器中。

零知識證明可以分為「交互式」和「非交互式」兩種。接下來我們就一一來看看這兩種證明方式有哪些不同。

交互式零知識證明

零知識證明協(xié)議的基礎(chǔ)是交互式的。它要求驗證者不斷對證明者所擁有的“知識”進行一系列提問。

例如，如果有人聲稱自己知道數(shù)獨游戲的答案，零知識證明的過程就是驗證者需要隨機指定要通過列、行或九個正方形進行驗證。

每輪測試不需要知道具體的答案，只需要檢測數(shù)字1~9是否包含在內(nèi)。只要驗證的次數(shù)足夠多，就有理由相信證明者是知道數(shù)獨問題答案的。

然而，這種簡單的方法并不能使人相信證明者和驗證者都是真實的。在數(shù)獨這種情況下，兩者可以提前串通，以便證明者可以在不知道答案的情況下依然通過驗證。

如果他們想要說服第三方，驗證者還必須要證明驗證過程是隨機的，并且他不會向證明者泄漏答案。

因此，第三方難以驗證交互式零知識證明的結(jié)果，要向多人證明某些東西的話則需要額外的努力和成本才行。

非交互式零知識證明

顧名思義，非交互式零知識證明不需要交互過程，避免了串通的可能性，但是可能需要額外的機器和程序來確定實驗的順序。

例如，在數(shù)獨這個例子中，由程序決定要驗證的列或行。驗證序列必須保密，否則驗證者可能會在不知道真正“知識”的情況下通過驗證。

區(qū)塊鏈上的零知識證明

比特幣和以太坊都是用公共地址來代替當事方的真實身份，使交易部分匿名，公眾只知道發(fā)送和接收的地址以及交易的數(shù)量。然而，可以通過區(qū)塊鏈上可用的各種信息（如交互記錄）找出地址的真實身份，因此存在暴露隱私的可能。

零知識證明，可以在發(fā)送方、接收方和其他交易細節(jié)都保持匿名的情況下，保證交易有效。

ZCash可能是成功實現(xiàn)零知識證明的最著名的區(qū)塊鏈項目之一。Zcash實現(xiàn)了ZKP的修改版本，被稱為zk-SNARKS，代表Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge（零知識簡明非交互式知識證明）

zk-SNARK技術(shù)減少了證明的大小以及驗證所需的計算量。它能夠在不泄漏有關(guān)地址和相關(guān)有價值的任何關(guān)鍵信息的情況下證明有效交易條件得到了滿足。

zk-SNARK將需要驗證的交易內(nèi)容轉(zhuǎn)換為兩個多項式乘積相等的證明，并結(jié)合同態(tài)加密和其他先進技術(shù)，在執(zhí)行交易驗證時保護隱藏的交易金額。

其過程可以簡單地描述為：

將代碼拆分為可驗證的邏輯驗證步驟，然后將這些步驟拆分為一個由加法、減法、乘法和除法組成的運算電路；

進行一系列變換，將待驗證的代碼轉(zhuǎn)化為多項式方程，如t(x)h(x)= w(x)v(x)；

為了使證明更加簡潔，驗證者預(yù)先隨機選擇幾個檢查點s 來檢查這些點的方程是否為真；

通過同態(tài)編碼/加密，驗證者在計算方程式時不知道實際輸入值，但仍然可以進行驗證；

在方程的左邊和右邊，同時乘以一個不等于0的秘密值k。當驗證(t(s)h(s)k) 等于(w(s)v(s)k)時，具體的t(s)、 h(s)、 w(s)和v(s) 是不可知的，從而達到保護信息的目的。

但zk-SNARK并不是完美的。當前zk-SNARK實現(xiàn)中的一個缺陷，是需要提前設(shè)置參數(shù)。如果這些參數(shù)被泄漏，那么整個網(wǎng)絡(luò)將面臨毀滅性的打擊。因此，在使用這些網(wǎng)絡(luò)時，用戶必須堅信參數(shù)不會被泄漏。

可能的解決方案包括使用現(xiàn)代“可信執(zhí)行環(huán)境”，如因特爾 SGX以及ARM TrustZone。對于因特爾的SGX技術(shù)來說，即使應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、BIOS或VMM受到威脅，私鑰也是安全的。

此外，最近的一份白皮書揭示了它在零知識密碼學方面的創(chuàng)新：ZK-STARKs (零知識可擴展透明知識理論，Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge)。

根據(jù)zk-STARK 白皮書，zk-STARK是第一個在不依賴任何信任設(shè)置的情況下實現(xiàn)區(qū)塊鏈驗證的系統(tǒng)，隨著計算數(shù)據(jù)的增加，計算速度呈指數(shù)級增加。

它不依賴于公鑰加密系統(tǒng)，更簡單的假設(shè)使其在理論上更加安全，因為它唯一的加密假設(shè)是Hash 散列函數(shù)（例如SHA2）是不可預(yù)測的。

不可否認的是，零知識證明和zk-S(T|N)ARK技術(shù)的測試和采用都將需要一定的時間。但是對于區(qū)塊鏈底層開發(fā)平臺來說，如何兼顧性能和安全性是至關(guān)重要的。也許只有零知識證明等密碼學技術(shù)被更多應(yīng)用的時候，區(qū)塊鏈這項技術(shù)才能被更好地推動。

來源；巴比特