零知识技术领域的全面探索与应用前景分析

• 作为区块链扩展领域的核心技术，零知识（ZK）技术正在为ZK rollups提供强大动力。然而，这项技术在应用层解决方案中的巨大潜力却常常被忽视。在这些应用场景中，ZK技术不仅能有效保护数据隐私，还能确保链下数据的真实性。
• ZK技术通过生成易于验证且无需特殊硬件要求的证明来实现这些功能。虽然生成这些证明需要较高的计算资源，但这项任务可以委托给专门的硬件证明者来完成。随着对ZK功能研究的深入，这项技术正被集成到各类应用中，有望成为去中心化信任体系的新基石。

零知识技术的本质

中本聪创造性地解决了长期存在的拜占庭将军问题，这个问题的核心在于如何在去中心化实体间达成共识。他提出的工作量证明（PoW）共识算法让全球矿工能够协调经济利益，建立了全球性的共识体系。比特币赋予用户掌控私钥和独立验证交易的能力，开创了真正去中心化的托管生态系统。

以太坊则通过权益证明（PoS）共识机制带来了创新，依靠验证者的激励和惩罚机制来维护网络安全与稳定。

传统去中心化账本要求每个网络节点重新执行计算来验证正确性，这种方式就像为了验证一个单词而阅读整本书，计算效率低下。在这种架构下，每个节点都必须下载最新区块并执行全部交易来验证一致性。这种开放计算不仅浪费资源，还暴露了隐私保护的短板，使得MEV攻击者能够操纵交易顺序谋取私利。

面对这些挑战，区块链社区开始研究提升可扩展性和隐私保护的技术。这推动了零知识密码学的研究热潮，特别是对zk-SNARKs（零知识简洁非交互式知识论证）和zk-STARKs（零知识可扩展透明知识论证）等技术的探索。这些技术各有特点，我们将在后续内容中详细说明。

ZK证明的核心在于，它允许证明者向验证者证实自己掌握特定知识，而无需透露任何具体细节。这种技术在保护隐私的同时确保了信息的真实性。

零知识证明具有两个关键特性：首先是简洁高效，验证证明比直接检查原始数据更加省时省力；其次是隐私保护，证明过程中不会向验证者泄露任何数据内容。

虽然这项技术诞生于20世纪90年代，但早期应用主要局限于隐私解决方案。2010年，IBM利用ZK技术开发了身份混合器Bluemix，而微软的Election Guard则使用ZKP来实现可验证的私人选举。

ZKP能够高效验证链外计算的特性，激发了人们对扩展以太坊等平台的研究热情。去年，超过7.25亿美元的资金投入ZK区块链技术研究，凸显了这项技术日益增长的重要性。

尽管ZKP的数学原理相当复杂，但开发者可以像使用公钥加密技术一样，将ZK加密技术集成到应用程序中。当前的研究重点在于开发高效的证明者和验证者系统，优化证明生成和验证的速度。

区块链系统需要关键的链外数据，如资产价格或其他区块链的信息。传统上，Chainlink等预言机网络依靠经济激励的验证者来确保数据的准确性和完整性。

ZKP为加密经济领域带来了新的信任维度。借助这项技术，应用程序可以充当区块链之外的”监督者”，无可辩驳地证明链下数据和计算的合法性，为去中心化世界提供更可靠的保障。

ZK技术应用领域

扩展解决方案

通用目的汇总（Rollup）

随着以太坊的快速发展，ERC20代币和ERC721 NFT的交易费用经常维持在5至15美元的高位。这种情况促使人们在不牺牲去中心化的前提下重新思考可扩展性方案。

汇总技术应运而生：以太坊正转向模块化的、以汇总为中心的框架，包含数据可用性（DA）层、执行层和结算层三个不同层级。

目前主要有Optimistic Rollups和ZK Rollups两种汇总方案在开发中。它们都能提供在以太坊链上执行交易并结算的第二层扩展方案，同时继承以太坊的安全性。

这两种类型都依赖排序器来接收用户交易，将交易组织成批次，并生成对以太坊主网的承诺证明。Optimistic Rollups使用观察者在争议解决窗口内发现欺诈交易，而ZK Rollups使用有效性证明来确保交易有效性，无需链上验证。

来源：Messari

在执行层，交易执行和状态存储在特定于汇总的虚拟机(VM)中链下进行。每个ZK rollup都有一个排序器来组织交易，以及一个证明者来生成验证中间计算的证明。这些”有效性证明”和最少量的数据随后被提交到以太坊主网上的验证者智能合约。

为支持以太坊智能合约，大多数ZK Rollups都与以太坊虚拟机（EVM）兼容。这种兼容性使开发者能够轻松地将基于以太坊的应用程序迁移到第二层平台。然而，挑战依然存在，包括证明效率、区块链性能和操作码兼容性等问题。

在存储层方面，大多数汇总选择将以压缩格式的数据推送到以太坊calldata。这种方法保持了活跃性，允许用户在需要时从以太坊重新创建状态并绕过汇总。然而，一些zk-rollups如Starknet的Validium、Matter Lab的zkPorter和Polygon的Miden将数据存储在不同的数据可用性（DA）层上，由数据可用性委员会(DAC)保护。

在结算层，ZK Rollups将新的汇总状态和”有效性证明”提交给以太坊上的验证者智能合约。这些验证者检查有效性证明以确保链下虚拟机中状态转换的正确性，并记录新的状态转换。

验证过程可能消耗大量资源，单个证明所需的Gas成本在30万到500万不等。验证时间也可能长达10秒左右。汇总通常会定期向第一层发布证明，通过批量交易来降低单笔交易成本。

基于VM的汇总

正如前文所述，使用第二层EVM面临一些可能限制计算效率的挑战。以太坊的原生函数具有高能耗特性，通常与ZK技术不兼容。意识到这一点后，ZKSync不再支持部分高成本操作码。

与专注于以太坊指令集的EVM不同，基于zkVM的汇总更加灵活，能够运行与不同计算机架构兼容的各种软件。这些虚拟机作为超级集可以实现不同的指令集，并生成用于计算的ZKP。

在基于zkVM的汇总领域，Starknet是开创性项目。它开发了Cairo这种专门的低级编程语言。Polygon的Miden使用自己的汇编语言，而Delphinus和Fluent则致力于基于WASM语言的汇总。这些方案让开发者能够使用Rust、TypeScript、C/C++、Go等通用编程语言构建应用程序。

基于zkVM的汇总为构建在基于账户的系统上不切实际的应用程序提供了便利。例如，Miden采用基于客户端的证明模型，用户负责在其设备上创建ZKP，然后将这些证明提交到Miden rollup来更新全局状态。这种方法支持并行执行交易并增强隐私保护。

汇总框架

多个团队已开始开发简化零知识汇总的方案，为更多构建者提供便利。这些创新框架提供包括排序器、证明者、数据可用性层和共识层在内的完整组件。

利用这些框架的构建者既能继承以太坊的安全性，又能保留关键的选择自由。他们可以选择部署原生代币或使用ETH，并灵活地参与外部验证者或实施定制规则。

Sovereign Labs和Polygon正在积极开发让任何人都能创建ZK Layer 2汇总的SDK。Lumoz采用综合方法，通过专门的工作量证明共识和专用证明网络，授予开发团队完全主权。这些实验正在推动模块化架构的发展，致力于将高性能与安全性相结合。

汇总即服务

Rollups-as-a-Service（RaaS）简化了汇总框架和SDK的架构，提供抽象层来轻松部署、维护和创建自定义的、生产级的特定应用汇总。

RaaS使开发者无需面对基础设施管理的复杂性，能够专注于应用层开发。过去耗时的工作现在转变为简单的无代码部署过程。借助Vistara和Gateway等平台，用户可以在几秒钟内启动个性化汇总。

这种模块化方法让开发者能够精确定制ZK汇总。从执行虚拟机到数据可用性层，开发者可以灵活选择适合其需求的组件。

Vistara支持从多个虚拟机中进行选择

特殊目的汇总

尽管通用目的汇总取得进展，但由于第二层区块空间竞争和第一层批量发布成本上升，扩展仍受限制。特定dApp需要定制功能，如DeFi的快速终局性、游戏的低延迟等，这催生了特定于应用的汇总需求。

Starknet是这一领域的领先者，已处理超过4.18亿笔交易。Loopring是专注于DeFi用例的ZK汇总，提供即时执行大宗交易等功能。Myria则专注于游戏应用，注重降低交易成本。这些特定领域的解决方案正在为不同行业提供量身定制的区块链服务。

隐私保护

随着Web3技术快速发展，隐私问题日益凸显。ZK证明添加了防窥探元素，这是zCash最初普及的用例。Zcash使用zk-SNARK来证明交易有效性，而不泄露任何交易细节。钱包余额以”承诺说明”形式存储，而非明文。

这种加密技术允许用户隐藏交易详情，同时证明拥有足够资金并遵守协议规则：确保交易输入输出价值相等、证明发送者拥有正确的私钥、防止双花等。

注重隐私的第一层协议

Aleo、Aleph Zero、Ironfish和Mina等协议正在推动隐私优先的第一层解决方案。这些协议采用了比特币UTXO模型的改进版本，各自采用不同的共识模型。

这些协议还重新构想了网络层，支持点对点数据交换以最大化隐私保护。例如，Ironfish使用WebRTC和WebSocket组合来建立节点连接，用户可以直接连接、进行交易、创建ZKP，然后在区块链上结算交易，全程保护隐私。

注重隐私的第二层协议

Aztec和Ola等项目致力于通过私人账户和加密交易实现的ZK汇总来增强以太坊网络隐私。它们都在开发自己的zkVM，高度重视私人账户管理而非仅仅追求以太坊兼容性。

ZK应用程序

利用ZKP隐私保护功能的应用程序为链下数据和计算带来了信任。主要用例包括：安全共享秘密、保密的链上身份、链下安全保证和可互操作的信任。

隐私中间件

隐私中间件协议不创建全新区块链，而是将隐私机制引入现有网络。这些平台充当用户地址和匿名地址之间的中介，提供增强隐私的实用方法。

受Zcash启发，Tornado Cash部署了基于以太坊的智能合约来管理隐形地址中的用户余额。该协议使用ZKP验证每笔交易的完整性。然而，Tornado Cash遇到了监管挑战，因为其隐私功能被用于非法活动。

认识到合规需求，行业领导者正在开创下一代隐私池模型，在隐私与合规间取得平衡。这些模型探索了多种方法：黑名单筛选、用户控制的密钥查看和服务器控制的密钥查看等。

Panther和Railgun等平台提供屏蔽代币，用户将资金存入这些平台来铸造可在多链上使用的屏蔽资产。Nocturne利用多方计算和账户聚合器创建隐形地址层，增强隐私保护。

Nocturne的存款筛选器在批准交易前进行合规检查

去中心化交易所

为满足机构对安全和私密资产交换的需求，团队正在探索基于ZK技术的去中心化交易所（DEX）。与AMM不同，ZK DEX使用订单簿，带来增强的流动性、无Gas交易等优势。

以Brine为例，它采用混合模型，将操作分为链下和链上部分。链下部分管理钱包数据和实时状态，链上部分处理状态承诺和系统资产。Brine使用STARK证明者，通过StarkEx合约在以太坊上验证证明。

Brine的匹配引擎可处理高达600,000 TPS，超越了AMM的限制。由于只有加密证明发布在链上，交易头寸完全隐私。除了Brine，Zkex和Satori等平台也通过类似机制实现衍生品交易。

Brine的DEX平台使用StarkEx服务进行批量证明

互操作性解决方案

传统跨链桥接需要信任验证者组或多重签名托管人，这种对外部验证的依赖造成了安全漏洞。基于ZK技术的轻客户端带来了创新，它们使用ZK证明来验证源链上的共识变更。

Succinct正在开发名为Telepathy的轻客户端，可以仅用300,000 Gas验证以太坊在EVM链上的共识。这些轻客户端支持多种功能：跨链发送消息、读取以太坊验证者数据、促进流动性桥接等。

Polyhedra和zkLink专注于跨链流动性桥接。zkLink的目标不是在各网络维护独立流动性池，而是利用基础设施汇聚所有dApp的流动性。

预言机和协处理器

预言机主要分为两种类型：将链下数据引入链上的输入预言机，以及将链上数据传送到链下环境进行高级计算的输出预言机。

智能合约在处理复杂计算时存在固有局限。输出预言机将这些任务卸载到外部系统。然而，当质押总额低于潜在被盗价值时，会出现安全问题。

ZK预言机通过提供zk证明来验证计算正确性，催生了协处理器这一新类别。HyperOracle利用专门节点生成ZK证明，使用验证者合约将数据传输到以太坊上。

Axiom提供去信任机制来访问以太坊历史状态数据。Herodotus专门研究存储证明，即确认数据包含性的ZK证明。这些创新正在解决区块链数据访问的关键问题。

身份验证系统

ZKP的隐私保证为设计新的加密原语创造了机会，涵盖位置的各个方面。Sismo正在开发ZK徽章，使用户能有选择地与web3应用共享个人数据。

Worldcoin将World ID建立为开放身份协议，利用虹膜生物识别技术进行精确验证。该协议使用卷积神经网络处理虹膜扫描，生成存储在World ID合约中的身份承诺。

Worldcoin声称它在计算哈希值后处理了虹膜图像

可验证计算

计算证明是一种加密技术，允许证明特定计算已正确执行，而不泄露敏感信息。Risczero的虚拟机会生成ZKP计算收据，这种”执行跟踪”让所有人能验证机器状态记录。

这开启了多种可能性：验证计算发生而无需完全披露信息；验证媒体真实性；验证财务信息；以及将web2数据转换为可组合的web3凭证。Giza、Space and Time和Modulus Labs正在研究可验证的算法完整性，特别是ZKML领域。

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