区块链:从技术原理出发 批判“加密显学”零知识证明

原文：《CriticismonZK》bymsfew

*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。

?证明生成性能

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。

Coinbase首席财务官：上线资产前会从技术和风险角度进行评估:金色财经报道，今日在美国国会的加密听证会上，在众议员Pete Sessions询问交易所如何识别欺诈和降低风险时，Coinbase首席财务官Alesia Haas表示，该交易所在资产上市之前会从技术和风险的角度对其进行评估。[2021/12/9 12:59:42]

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。

a)Benchmark

在衡量ZK应用之前，我们首先要测试ZK协议底层commitment的性能。

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。

徐坤：Filecoin项目需要从技术角度和投资角度去分析:OKEx首席战略官徐坤今日发微博表示，对于Filecoin项目本身，需要从技术角度和投资角度去分析它，一切的投资是可以用数据量化的，资产有背后的价值作为支撑，可持续就可以去考虑；

另外一方面，放长周期去看一个事物的发展，它是否能够经历时间的考验。投资是反人性的，事实证明，很多投资者在每一个阶段可以享受一个事物不同的红利，所以分析判断一个投资的周期长度以及市场变化，再认真思考去做决定。[2020/7/14]

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，a16zcrypto将它们分为前端和后端：

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]

前端通常是ZK应用开发者接触到的Cairo语言/zkVM高级语言等；

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]

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。

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：

“InGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsInGroth16,Pmustworkoverapairing-friendlygroup,whoseoperationsaretypicallyatleast2xslowerthangroupsthataren'tpairingfriendly.,thisresultsinatleastanadditionalfactor-6slowdownrelativetothe100-|C|estimateabove.”

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。

ModulusLabs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。

b)递归和批处理

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。

c)硬件加速

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。

Security

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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