零知识证明技术的应用

什么是零知识证明

零知识证明（Zero-Knowledge Proof，ZKP）是现代密码学的重要组成部分。它指的是证明者在不向验证者提供任何有用信息的情况下，说服验证者某个假设是正确的能力。

零知识证明本质上是一个涉及两个或多个参与方的协议，即两个或多个参与方需要完成一项任务的一系列步骤。证明者向验证者证明并使验证者相信他/她知道或拥有某个特定消息，但在证明过程中不会透露关于被证明消息的任何信息给验证者。通俗来说，证明者不仅能够证明自己想要证明的内容，而且同时向验证者披露“零”信息。

关于零知识证明的更多概念，已经有很多中文资料进行了介绍，这里就不赘述了。

零知识证明在区块链领域的主要应用

零知识证明技术的两个重要特点是其在区块链领域应用的主要因素：

1. 零知识证明可以保护数据的隐私并证明其有效性，而不泄露数据信息。

2. 零知识证明可以通过生成少量的证明来证明大量的数据，这在压缩数据量和提高性能方面具有重要作用。

因此，零知识证明的两个方向就是：隐私保护和区块链的扩展。下面分别叙述：

隐私保护

隐私保护一直是区块链中一个极其重要的概念，代表了在分布式网络中保护交易和参与者的能力。

区块链一直倡导匿名性，参与者在大多数交易中无需使用真实姓名，而可以重复使用公钥哈希值作为交易标识符来识别交易者。但是，这些交易只有伪名，而不是真正实现了匿名性。默认情况下，用户的每笔交易都是公开的，一旦用户的地址被锁定，就可以用来审查资金来源、计算持仓位置，甚至分析用户的链上活动。

零知识证明技术可以通过提交证明来确认交易的有效性，而不泄露任何信息，实现交易信息的完全匿名化。在强调隐私问题加密的发展阶段，许多开发者致力于隐私公链的探索。零知识证明的隐私保护和数据压缩能力是成为公链组件技术的主要原因。在此期间，像Zcash和Monero这样的项目取得了异常出色的成果。以Zcash为例，Zcash最初采用了Pinocchio协议，于2019年切换到Groth16证明系统。

Zcash钱包地址分为隐藏地址和透明地址。透明地址之间的交易与比特币（BTC）交易没有区别：发送方、接收方和交易金额都是公开可见的；隐藏地址之间的交易也会出现在公共区块链上，但交易的地址、资金金额和备注字段是加密的，并且zk-SNARK将根据网络共识规则证明交易的有效性；此外，还可以在隐藏地址和透明地址之间进行交易。

Zcash对审计和监管友好，同时保护交易隐私。隐藏地址交易的发送方和接收方可以向第三方披露交易详细信息，以满足见证、合规或审计需求。

可扩展性

 “不可能三角”是以太坊等L1区块链面临的永恒问题。不同的链始终在去中心化、安全性和可扩展性之间找到平衡。

以太坊更注重去中心化和安全性，因此必须面对可扩展性的限制。以太坊上的高燃气费和长交易确认时间严重影响了用户体验。因此，其核心开发团队和社区一直在探索各种可扩展性解决方案。

有两种方法可以扩展区块链：

1. 扩展L1区块链本身，方法包括增加区块大小或分片。即将区块链网络中的节点划分为几个相对独立的分片。

   单个分片的处理规模较小，甚至只存储部分网络状态。但理论上，在多个分片并行处理交易的条件下，整个网络的吞吐量将得到提高。然而，这种方法会牺牲去中心化。

2. 将L1网络上的交易转移到L2层，L2收集交易，然后将其发送到L1网络进行结算。这样，每批交易只需支付一次燃气费，而不是每笔交易都支付燃气费。

   因此，所有交易均平均分担燃气费用，有效降低了每笔交易的成本。这样，L1成为L2上执行的所有交易的结算层。L2扩展解决方案可以解决L1的可扩展性问题，同时不牺牲去中心化和安全性。

当然，L2扩展解决方案也经历了从状态通道到Plasma再到Rollup的演变。目前，Rollup是最主流和潜力巨大的L2解决方案。

Rollup是指首先在链下进行复杂的计算和状态维护，然后通过使用更便宜的CALLDATA通过合约调用的方式将与状态变化相关的数据进行链上保存，通过将大量交易总结和打包为一笔交易，最终在保证数据可用性的前提下提高TPS。

Rollup解决方案的共同点是强调链上数据的可用性。也就是说，任何人都可以根据链上保存的数据恢复全局状态，从而消除由数据可用性问题引起的安全风险。

除了压缩链上计算量之外，零知识证明发挥作用的另一个方面在于确保数据的正确性。

ZK Rollup解决方案始于2018年下半年。这种解决方案的关键在于ZK。每个ZK Rollup解决方案的状态变化都需要由主链上的合约提供和验证零知识证明。