区块链:从技术原理出发 批判“加密显学”零知识证明

原文：《Criticism on ZK》by msfew

*注：首先，这是一个用一个小时写的草稿。 主要是为了快速收集信息，所以可能存在非常多的潜在错误和不完整的信息。

对 ZK 的主要批评包括两个：

一是证明时间长 (因此有各种 benchmark、各种新的 ZK 协议和各种硬件优化）；

一是系统和应用程序安全性仍然需要测试。

零知识证明是区块链领域非常流行的技术。 由于链上计算资源稀缺且昂贵，零知识证明允许这些计算在链下进行，虽然链下证明生成的总时间消耗非常高，但它仍然压缩了最终证明和相关的计算验证，从而允许计算“在链上”。

ZK 证明生成时间过长的问题往往被研究者和开发者所忽视，因为这本质上是 ZK 需要做出的权衡。

分析：从技术层面来说，Celsius可能已经资不抵债:6月6日消息，据推特用户yieldchad分析，从技术层面来说，Celsius可能已经资不抵债。该项目一共有100万枚ETH，但只有26.8万枚（近27%）是有充足流动性的；另外44.5万枚拿的是Lido的stETH，按当前Curve的汇率只能换出28.7万枚ETH；最后28.8万枚直接质押进了以太坊2.0合约，一时半会（至少1年内）拿不出来。按照每周5万枚ETH的速度，Celsius在五周内就会耗尽具有流动性的ETH。[2022/6/6 4:05:49]

虽然他们没有直接批评 ZK 的这个缺点，但是他们有很多从对面解决这个缺点的方法和讨论。

也就是说，他们通过提出各种解决方案并进行大量基准测试来隐含地谈论 ZK 的极长证明时间。

在衡量 ZK 应用之前，我们首先要测试 ZK 协议底层 commitment 的性能。

北京理工大学盖珂珂：区块链加入黄金供应链后从技术和多角度解决了信任的问题:12月18日，“首届中国（莆田）国际黄金珠宝文化论坛”在福建省莆田市会展中心举办。北京理工大学东南信息技术研究院特别研究员、博士生导师盖珂珂出席论坛并发表主旨演讲。他认为，区块链加入黄金供应链后从技术和多角度解决了信任的问题，对已有黄金供应链模型进行了优化，为黄金珠宝行业进行赋能，主要表现为以下几方面，第一，所有的信息流、商流写入区块链，信息统一集中、公开透明、不可篡改；第二，所有节点可以审视，实时掌握业务物流资金过程；第三，对于投资者得到一定的提升；第四，企业征信数据积累；第五，可以实现资产的跨域流通。

在黄金NFT分享方面，他作出总结：黄金艺术产品认知是在不断进步；黄金产品的用户量特别大，资金储备比较足，这也就决定了黄金作为NFT进行对标是具有先天性的优势；黄金产品特性是具有流通性，与NFT特性比较吻合；黄金产业可能会存在瓶颈，比如渠道商和黄金商的垄断，依赖中心化系统。（中国财富网）[2021/12/19 7:49:02]

因为比如，FRI 导致 STARK，KZG 导致常规 SNARK，IPA 导致 Bulletproof 。 底层承诺的性能测试对于 ZK 应用的性能并不直观，但对于理解 ZK 证明时间长的问题很有帮助。

分析师：从技术上讲比特币可能需要数月才能修复:Fundstrat Global Advisors LLC的技术策略师Rob Sluymer表示，比特币已经跌破了2015年至2020年的上升趋势，其价格走势“严重受损”。就目前而言，从技术上讲，比特币可能需要数月才能修复。（彭博社）[2020/3/20]

从上面的链接我们可以看出，这些底层承诺协议不仅计算复杂 (可能导致证明时间长)，而且还存在内存消耗非常大的问题。

当然，内存消耗其实更多的是跟硬件配置要求有关，这跟我们今天要讨论的话题是不一样的。

对于具体的 SNARK 性能测试，a16z crypto 将它们分为前端和后端：

前端通常是 ZK 应用开发者接触到的 Cairo 语言/ zkVM 高级语言等；

而后端是更接近 SNARK 证明生成时间的承诺等底层密码学操作。

动态 | 经济日报：推动完善区块链产业生态系统 需从技术创新等方面入手:经济日报今日发表题为《推动完善区块链产业生态系统》的分析文章。文章表示，近年来，我国区块链产业发展迅猛，但在技术突破、人才支撑、安全防控等方面仍存在不小挑战。对此，需采取有针对性的措施加以解决，不断完善区块链产业生态系统。文中提到，目前制约我国区块链产业生态系统发展完善的主要因素有以下几个方面：一是区块链技术仍处于发展的初期，基础研究与协同攻关较为薄弱；二是区块链领域的人才缺口较大；三是区块链安全隐患不容忽视，风险防控有待加强；四是区块链产业布局需进一步统筹；五是区块链产业相关政策法规尚不完善。文中建议，进一步推动完善区块链产业生态系统，必须从技术创新、人才培养、风险防控、生态协调、产业监管五个方面着手，寻找解决之道。[2019/12/25]

其中，作者提到 SNARK 证明生成具有大约 100 倍的计算开销，并且每个 ZK 协议都有额外的开销，例如：

声音 | 王春蕊：区块链已从技术构想走入现实 在智慧城市建设中将大有作为:新京报智慧城市研究院研究员王春蕊今日发表题为“智慧城市和区块链能擦出怎样的火花？”评论文章。文章中提到，区块链在智慧城市建设中将大有作为。区块链实现信息共享，保障数据安全；“区块链+政务”，为数字社会增信；“区块链+民生”，能够提供更智能的公共服务。区块链作为核心技术，已经从技术构想走入现实，在智慧城市领域特别是信息共享方面彰显出了巨大应用潜力。（新京报）[2019/11/5]

“In Groth16, P must work over a pairing-friendly group, whose operations are typically at least 2x slower than groups In Groth16, P must work over a pairing-friendly group, whose operations are typically at least 2x slower than groups that aren't pairing friendly. , this results in at least an additional factor-6 slow down relative to the 100-|C| estimate above.”

总体而言，可以说 zk-SNARK 的额外性能开销在 200 - 1000 倍的范围内。

此外，文章还提到了 zk-SNARK 的其他限制，例如可信设置和内存使用。

Modulus Labs 的文章测量了一些 ZK 协议的实际性能。有些基准是针对参数数量的，这对我们来说不是很直观。然而，在应用中，文章提到在 Worldcoin 用例中，即使使用 “最快” 的 Plonky2，仍然需要几分钟的证明生成时间和数十 GB 的内存消耗，无法在个人电脑上运行。

为了减少证明生成时间，我们可以并行证明多个证明。

通常，有两种方法可以做到这一点：一种是批处理，另一种是递归。

简单来说，批处理是同时证明一批证明，最后将它们聚合在一起，而递归是在一个证明中验证其他证明。 一般而言，递归方法具有更小证明大小 的额外优势。

一些更常见的聚合方法包括 Halo2、Plonky2。他们每个人都以不同的方式执行批处理和递归，从而减少了证明时间。

除了ZK的协议层，ZK的应用层也可以有针对性的优化。例如，可以同时使用多个 ZK 协议 (STARK + SNARK ），或者针对宏观采取递归策略进行特定于应用程序的调优。

一般来说，这实际上减少了协议和证明分配方面的证明生成时间。 在探索新的 ZK 协议时，减少证明时间是最重要的考虑因素。

此外，从硬件角度进一步减少 ZK 应用在物理和节点层面的证明时间也做了很多努力。

首先，与前面提到的新协议一样，ZK 协议被设计为尽可能对硬件友好，例如 HyperPlonk。

Paradigm 提到，ZK 的证明生成速度慢主要是由于涉及大量的 MSM 和 FFT，它们对硬件不友好，导致由于随机内存访问等问题导致最终证明生成速度慢。 对于这些底层加密计算，ZK 协议需要在它们的组成和规模上进行一些权衡，以使其对硬件更加友好。

几家 ZK 硬件加速厂商表示，GPU 实际上是目前最经济和可配置的硬件选择，我们最终将有 FPGA 过渡到 ASIC 阶段。 根据 zk 硬件公司的说法，他们的第一版 ASIC 可以直接减少至少 30% 的 ZK 证明生成时间。

此外，由于不同的服务器配置，将不同的云服务器作为节点运行可能涉及不同的硬件特定优化。

ZK 现在的另一个批评是电路代码仍然需要正确 (没有 bug)。

如果 ZK 协议从健全性、完整性、零知识的角度受到攻击，我们将不再拥有有效的 ZK 系统。 我们可以在这个链接中看到各种角度的攻击示例。

虽然 ZK 应用可以被称为 trustless，但我们仍然需要确保项目的 ZK 协议和应用的代码和架构是正确的。 区块链领域中存在多种 ZK 错误。例如，由于 zkEVM 的 ZK 电路代码库庞大的问题，Vitalik 谈到了 ZK 应用程序的多证明者的需求。

因此，ZK 系统可能需要与形式验证等安全工具或 Ecne 等其他安全相关工具搭配使用。应用程序级别，它需要更多的审计，特别是对于像 zkEVM 这样的大项目。

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