ARK:零知识证明的技术路径之争：zk-SNARK和zk-STARK谁更优？

作者:Chloe

Crypto行业被广泛关注的零知识证明（Zero—Knowledge Proof）技术，并非是这几年刚冒出来的新技术，而是在1980年就被数学家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。

零知识证明涉及一系列步骤，可以实现密码学中的「可用而不可知」。

而区块链有着公开透明、不可篡改等特征，意味着加密投资者的链上资产及交易记录是没有隐私可言的，于是零知识证明技术被引入了区块链，当中以zk-SNARK和zk-STARK最为关注。

zk-SNARK被项目方采用得最多，zk-STARK则被密码学专家认为优于ZK-SNARK。那么综合技术与实际应用，二者谁更优？

zk-SNARK：简洁 + 非交互性

Alessandro Chiesa等人在2012年开发了zk-SNARK协议，这是一种简洁化、非交互式的零知识证明技术，全称是zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge，可以拆解成三部分来理解：

Aztec Network推出零知识证明语言Noir:10月8日消息，基于ZK Rollup的隐私和扩容解决方案Aztec Network宣布推出零知识证明语言Noir。Noir是一种基于Rust的领域特定语言（DSL），用于创建和验证零知识证明。同时，Aztec Network还发布两个新的Typescript库，分别为NoirJS（可以在浏览器中编译Noir电路）和Barretenberg.js（可以在浏览器中证明和验证这些电路）。[2022/10/8 12:49:18]

zero-knowledge：

零知识证明，在不暴露隐私情况下向对方证明一件事情，让数据「可用而不可知」。

succinct：

简洁性，要证明的东西占用的空间很小，而且可以快速验证（几毫秒）。

non-interactive：

以太坊基金会、AMD、Polkadot 发起 700 万美元竞赛以促进零知识扩展:金色财经报道，ZPrize于4月19日宣布，多个加密货币项目联合起来，为使用零知识（ZK）证明的创新团队提供700万美元的奖金。该竞赛由21个Web3组织支持，包括Polygon、Polkadot、Mina和Ethereum基金会。AMD-Xilinx还将为参赛团队提供高功率的计算设备。ZPrize在一份声明中说，参赛团队将尝试设计 \"新的算法和技术，以实现最好的零知识系统无法比拟的性能指标。\"获奖者必须将其提交的材料开源，以便其他开发者能够将任何突破性的东西整合到他们的工作中。[2022/4/20 14:34:54]

非交互性，意味着证明者和验证者之间不需要有交集即可快速地得到验证结果。

zk-SNARK的简洁性和非交互性，是相对于传统的零知识证明方案而言的。

孙宇晨：波场将于周日推出实现零知识证明的DApp“justwrapper”:孙宇晨昨日在微信群透露，波场将于周日下午两点推出实现零知识证明技术的智能合约DApp“justwrapper”。第一版仅支持USDT，第二版开始支持TRX、BTT、USDJ、 JST、WIN等所有波场系token，未来还会支持BTC。孙宇晨称，justwrapper转账享有零知识证明级别的隐私，只有转账的人和收到的人知道这笔转账的发生。[2020/9/26]

简单来说，传统方案是交互式证明，即示证者（宣称某一命题为真）和验证者（确认该命题确实为真）之间反复确认，你可以理解为示证者不断向验证者询问“是或不是？”，然后验证者不断给出回答，直到最后碰出一个正确答案来，所以效率很低。

zk-SNARK的解决方案则不需要双方反复确认“是或不是”，而是提前先搞一个「可信初始化」，从而生成公共参考字符串（CRS），然后所有的示证者都可以直接访问它。

Gate.io研究院发布“零知识证明于区块链中的落地应用”报告:Gate.io研究院于今日发布“零知识证明于区块链中的落地应用”报告。报告指出，在区块链技术加快发展的背景下，多种应用场景应运而生，随之而来的是用户在隐私安全方面的更高需求。当前，众多区块链开发团队提出了多种不同的用户隐私安全保护机制。

其中，零知识证明与区块链技术相结合作为一种新方案为提高区块链隐私安全性提供了更多可能。该报告结合“零知识证明”的采纳项目、区块链系统“Zcash”的相关情况，对“Zcash”加密技术以及零知识证明进行了深入探讨。 详情点击原文链接。[2020/6/28]

打一个通俗的比方。交互式证明相当于老师要批改每一个考生的每一道考题，效率很低，但正确答案只掌握在老师这边，基本不存在有人偷答案的情况。

但zk-SNARK直接上传了正确答案，然后让考生自己对答案（把自己解的某道题发送给后台系统，就会直接得到正确与否的最终结果），非常高效，代价是答案有可能被泄露，虽然这个答案系统是经过加密的。

公告 | 安永发布第三代零知识证明区块链技术 可通过批量处理降低交易成本:据安永官网今日公告，安永已在以太坊公共区块链上的公共领域发布第三代零知识证明（ZKP）区块链技术。第三代ZKP区块链技术可通过在一次交易中将多个私人转让批量处理来显着降低交易成本，有助于使公共区块链上的私人交易更具可扩展性。[2019/12/19]

因此针对zk-SNARK容易被泄露的问题，有很多围绕着提高「答案系统」安全性的解决方案，不同采用zk-SNARK的项目方的方案各有不同。如zCloak钱包是直接把算法以纯文本的形式发给用户，用户下载到本地去做计算（所以即使断网也依旧能完成工作）。

zk-STARK：概率证明+缓冲时间

zk-STARK是成立于2017年12月的StarkWare团队开发的，它是针对zk-SNARK的替代解决方案。研发历时一年多，经过无数次迭代才彻底搞定，已经到2019年了。

zk-SNARK是提前生成公共参考字符串，用非交互式证明的方式提高了证明效率，但也留下了隐患。zk-STARK虽然是交互式证明，但它是一种巧妙的交互式证明——通过哈希函数碰撞（一种概率证明的方式）来保证安全性，因此也实现了高效证明。

这个思路直接借鉴自2015年推出的交互式预言机证明（IOP）技术，简单来说是先把问题用密码学的方式打碎，然后验证者随机向示证者提出几个的问题，如果几轮下来，示证者都给出准确的回答，那么验证就通过了。

所以zk-STARK同样也只需要极少的计算资源就可以完成证明，但是它更安全，不存在答案泄露的风险。并且为了进一步确保安全性，还设置了争议时间延迟（DTD）来作为缓冲。

  zk-SNARK和zk-STARK的区别

1.透明度

zk-SNARK的公共参考字符串通常由一个小团体来保管，因此有泄露的可能性，从而被恶意利用，如创建虚假证明。

zk-STARK则直接利用生成随机性的参数来验证，不需要任何第三方的「答案系统」，因此透明度大幅提高。

2.抗量子计算机攻击

zk-SNARK未来会轻易被量子计算机暴力破解（通过分解计算从公钥中提取私钥）。当然，量子计算何时到来还是个问题。

zk-STARK采用的是哈希函数碰撞的方法来证明，理论上量子计算机的暴力破解是无效的。

3.可扩展性

zk-SNARK的证明在链上更具可扩展性（生成的证明的字节数更小），zk-STARK在纯链上似乎没有优势。

StarkWare官网宣称是最快的，可能是因为zk-STARK允许链下进行大规模计算和存储，然后在链上完成验证，因此可扩展性显著提升（甚至可以提高10倍），而成本显著降低。

总结

zk-SNARK技术被采用得最多，尤其是在以太坊扩容场景中。zk-SNARK主要是围绕「隐私保护」去做身份、支付、DeFi、资产证明等各种应用。

zk-STARK虽然也在发展之中，但技术尚不成熟，至少在通用性上受限，所以我们看到大多是围绕着「可扩展性」去做各种应用。

不过据StarkWare团队在2022年的说法，已经解决了可扩展性，该把目标瞄准「隐私保护」了，而方式是通过StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分层的方式解决，这似乎与zk-STARK证明系统本身没有直接关系。

至少就目前而言，大多数以太坊Layer2项目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都采用的是zk-SNARK技术路线，除了通用性上受限，还有一个原因是普遍反馈说zk-STARK的开发难度过大……

当然长远来看，zk-STARK可承载的运算量更大，可能更有前景。

总的来说，zk-SNARK和zk-STARK的关系，?有些像Optimistic rollups和ZK rollups的关系，前者短期利好，后者长期利好。

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