ArkStream Capital：零知识证明四十年的技术演进与未来展望

零知识证明（ZKP）被誉为区块链领域自分布式账本技术（DLT）以来最重要的技术突破之一。本文系统回顾了零知识证明技术近四十年的发展历程，并探讨了其最新研究成果。文章首先介绍了零知识证明的基本概念及其历史背景，随后详细分析了基于电路的零知识证明技术，包括zkSNARK、Ben-Sasson、Pinocchio、Bulletproofs和Ligero等模型的设计、应用及优化方法。在计算环境方面，本文介绍了ZKVM和ZKEVM，探讨了它们如何提升交易处理能力、保护隐私以及提高验证效率。文章还讨论了零知识Rollup（ZK Rollup）作为Layer 2扩展解决方案的工作机制和优化进展，以及硬件加速、混合解决方案和专用ZK EVM的最新发展。

最后，本文展望了ZK Coprocessor、ZKML、ZKThreads、ZK Sharding和ZK State Channels等新兴概念，探讨了它们在区块链扩展性、互操作性和隐私保护方面的潜力。通过对这些最新技术和发展趋势的分析，本文为理解和应用零知识证明技术提供了全面视角，并展示了其在提升区块链系统效率和安全性方面的巨大潜力，为未来的投资决策提供了重要参考。

前言

在互联网迈向Web3时代的背景下，区块链应用（DApps）迅猛发展，每天都有新的应用涌现。近年来，区块链平台处理着数以百万计的用户活动和数十亿笔交易。这些交易产生的大量数据包含用户身份、交易金额、账户地址和余额等敏感信息。鉴于区块链的开放性和透明性，这些数据对所有人开放，从而引发了多种安全与隐私问题。

面对这些挑战，几种加密技术被提出，包括同态加密、环签名、安全多方计算（SMPC）和零知识证明（ZKP）。同态加密允许在不解密密文的情况下进行计算，但无法保护账户地址的安全。环签名能够隐藏签名者的身份，却不能保护账户余额和交易金额。安全多方计算能在多个参与者之间分配计算任务，而无需知晓其他参与者的数据，但同样无法保护账户地址的安全。此外，这些技术无法在不泄露交易金额、账户地址和账户余额的情况下验证交易金额的充足性。

零知识证明则提供了更全面的解决方案。通过ZKP，验证者可以在不透露任何私人数据的情况下验证某些命题的正确性。验证过程包括生成一个证明，然后将其传递给验证者，验证者对证明进行计算，从而确定是否接受证明者的声明。这个过程可以在区块链上记录，并确保没有伪造的可能性。

零知识证明的特性使其在区块链交易和加密货币应用中扮演了核心角色，特别是在隐私保护和网络扩容方面。它不仅成为了学术研究的焦点，也是行业应用和风险投资的重点领域。随着ZKP技术的不断发展，诸如ZkSync、StarkNet、Mina、Filecoin和Aleo等基于ZKP的网络项目应运而生，几乎每周都有新的算法问世。

此外，与ZKP技术相关的硬件开发也在快速推进，包括专为ZKP优化的芯片。项目如Ingonyama、Irreducible和Cysic已经完成了大规模资金募集，这些进展展示了ZKP技术的快速发展，并反映了从通用硬件向专用硬件（如GPU、FPGA和ASIC）的转变。这些进展表明，零知识证明技术不仅是密码学领域的重要突破，也是区块链技术应用的关键推动力，尤其是在提高隐私保护和处理能力方面。

因此，我们决定系统地整理零知识证明（ZKP）的相关知识，以帮助我们做出未来的投资决策。本文综合审阅了相关核心学术论文，并分析了领先项目的资料和白皮书，为本文的撰写提供了坚实的基础。

一、零知识证明基础知识

1. 概述

零知识证明（ZKP）首次由Goldwasser、Micali和Rackoff在1985年的论文《The Knowledge Complexity of Interactive Proof-Systems》中提出。这一开创性的研究定义了零知识证明的核心概念，例如“知识复杂度”以及交互式证明系统（IPS）。知识复杂度是用来量化证明者在交互式证明中泄露的知识量的概念。交互式证明系统中的证明者（Prover）和验证者（Verifier）通过多轮互动来证明某个语句的真实性。

根据Goldwasser等人的定义，零知识证明是一种特殊的交互式证明，其中验证者在验证过程中只获得语句的真值，而无法获得任何额外信息。零知识证明具备三个基本特性：

完备性（Completeness）：如果论证真实，诚实的证明者可以说服诚实的验证者。可靠性（Soundness）：如果证明者不知道声明内容，他只能以微不足道的概率欺骗验证者。零知识性（Zero-Knowledge）：验证者只获得“证明者拥有此知识”的信息，而无法获得任何额外内容。

2. 零知识证明示例

为了更好地理解零知识证明及其属性，以下是一个验证证明者是否拥有某个秘密数字的示例。该示例包括设置、挑战和响应三个阶段：

设置（Setup）证明者创建一个证据来证明他知道某个秘密数字，但不直接显示该数字。计算和传递中间值供验证者使用，但不暴露秘密数字。

挑战（Challenge）验证者随机选择一个位（0或1）并发送给证明者，决定证明者接下来需要采取的步骤。

响应（Response）根据挑战位的值，证明者进行响应。验证者根据收到的响应计算并验证证明者是否通过验证。

通过这种方式，验证者能够确定证明者是否知道某个秘密数字，而无需直接获取该秘密数字。

二、非交互式零知识证明

1. 背景

传统的零知识证明通常是交互式的，但在某些场景中，如即时交易或投票，交互式验证可能不实际。因此，非交互式零知识证明（NIZK）成为一个重要的研究领域。1988年，Blum、Feldman和Micali首次提出了非交互式零知识证明的概念，证明了无需多轮交互即可完成认证过程的可能性。他们提出的NIZK分为设置、计算和验证三个阶段。

2. Fiat-Shamir变换

Fiat-Shamir变换由Fiat和Shamir在1986年提出，通过引入哈希函数，将交互式零知识证明转化为非交互式证明。该方法通过使用公共密码学哈希函数替代部分随机性和交互性，来保障证明的真实性和难以伪造的特性。尽管在理论上这种方法被认为是安全的，但实际应用中可能面临挑战。

3. Jens Groth及其研究

Jens Groth在零知识证明领域的研究推动了技术的发展。他提出了适用于任何NP语言的完美非交互零知识证明系统，并设计了一种简洁高效的证明系统，减少了CRS和证明的体积。此外，他还探讨了全同态加密与非交互零知识证明的结合，提出了一种减少通信开销的方案。

4. 其他研究

在特定应用场景中，特定验证者的非交互式零知识证明表现出独特的实用价值。例如，Cramer和Shoup开发的公钥加密方案有效地抵御了选择性密文攻击。Damgård、Fazio和Nicolosi提出的改进方法允许在无需直接交互的情况下进行非交互式零知识证明。

结论

零知识证明技术的不断进步和创新不仅在密码学领域带来了重大突破，也推动了区块链技术的发展。了解这些技术的演变和最新研究成果，有助于我们更好地应用零知识证明，并为未来的投资决策提供重要参考。