zk-SNARKs: O desenvolvimento e aplicações

I. A evolução histórica dos zk-SNARKs

O sistema moderno de zk-SNARKs tem a sua origem no artigo co-autorado em 1985 por Goldwasser, Micali e Rackoff. Este artigo explora a quantidade de conhecimento que deve ser trocada para provar a veracidade de uma afirmação através de múltiplas interações em um sistema interativo. Se a troca de conhecimento puder ser realizada, é chamada de zk-SNARK. Este sistema interativo só pode ser considerado correto em um sentido probabilístico, e não matematicamente rigoroso.

Para superar as limitações dos sistemas interativos, o sistema não interativo (NP) surgiu, possuindo completude, tornando-se a escolha ideal para zk-SNARKs. Os sistemas de zk-SNARKs iniciais apresentavam ineficiências e falta de praticidade, permanecendo principalmente no nível teórico. Nos últimos dez anos, com a ascensão da criptografia no campo das criptomoedas, os zk-SNARKs se desenvolveram rapidamente, tornando-se uma direção de pesquisa importante.

A quebra de chave do zero conhecimento é o artigo publicado por Groth em 2010, que estabeleceu a base teórica para zk-SNARKs. Em 2015, o Zcash adotou o sistema de zero conhecimento para proteger a privacidade das transações, representando um avanço importante a nível de aplicação. Em seguida, zk-SNARKs foram combinados com contratos inteligentes, ampliando os cenários de aplicação.

Durante este período, alguns resultados académicos importantes incluem: o protocolo Pinocchio de 2013, o algoritmo Groth16 de 2016, os Bulletproofs de 2017, e os zk-STARKs de 2018. Estes resultados têm sido continuamente otimizados em termos de tamanho da prova, eficiência de verificação, entre outros, impulsionando o desenvolvimento dos zk-SNARKs.

Dois, principais aplicações de zk-SNARKs

As duas aplicações mais amplas de zk-SNARKs são a proteção da privacidade e a escalabilidade. Projetos de transações privadas iniciais como Zcash e Monero chamaram bastante atenção após seu lançamento, mas a demanda real não atendeu às expectativas. Nos últimos anos, com a transição do Ethereum para uma abordagem de escalabilidade centrada em rollup, as soluções de escalabilidade baseadas em zk-SNARKs voltaram a ser o foco.

transações de privacidade

Existem vários projetos implementados de transações privadas, como o Zcash e o Tornado que utilizam zk-SNARKs, e o Monero que utiliza Bulletproofs. Tomando o Zcash como exemplo, o seu processo de transação inclui etapas como configuração do sistema, geração de chaves, cunhagem, geração de provas de transação, verificação e recepção. No entanto, o Zcash também apresenta limitações, como a dificuldade de escalabilidade baseada no modelo UTXO e uma baixa taxa de utilização de transações privadas na prática.

O Tornado adota um design de pool de mistura grande único, baseado na rede Ethereum, com melhor versatilidade. Utiliza zk-SNARKs para fornecer proteção de privacidade nas transações, garantindo que apenas as moedas depositadas possam ser retiradas, e que as moedas não possam ser retiradas várias vezes, entre outras características.

escalabilidade

zk-SNARKs na aplicação de escalabilidade é principalmente zk-rollup. zk-rollup inclui dois tipos de papéis: Sequencer e Aggregator. O Sequencer é responsável por empacotar transações, enquanto o Aggregator combina um grande número de transações para gerar rollup e criar zk-SNARKs, que são usados para atualizar o estado da Layer 1.

Os zk-rollups têm vantagens como baixos custos e rápida finalização, mas também enfrentam desafios como grande carga computacional e configurações de segurança complexas. Atualmente, os principais projetos de zk-rollup incluem StarkNet, zkSync, Aztec Connect e Polygon Hermez, cada um com suas próprias características em termos de rota técnica e compatibilidade com EVM.

A compatibilidade com EVM é uma questão chave para o desenvolvimento de zk-rollups. Os projetos precisam equilibrar a amigabilidade com zero conhecimento e a compatibilidade com EVM; alguns projetos optam por serem completamente compatíveis com os códigos de operação EVM, enquanto outros projetam novas máquinas virtuais para conciliar ambos. Recentes avanços tecnológicos melhoraram significativamente a compatibilidade com EVM, o que promete impulsionar a prosperidade do ecossistema de desenvolvimento.

Três, o princípio básico dos zk-SNARKs

zk-SNARK(Argumento de Conhecimento Succinto Não Interativo de Zero Conhecimento) é um protocolo de prova de zero conhecimento amplamente utilizado. Ele possui características como zero conhecimento, concisão, não interatividade, confiabilidade e confiabilidade do conhecimento.

O processo de prova do Groth16 zk-SNARKs inclui os seguintes passos:

1. Converter o problema em circuitos
2. Converter o circuito para a forma de R1CS( do Sistema de Restrições de Rank-1)
3. Converter R1CS para QAP(Programa Aritmético Quadrático)
4. Estabelecer uma configuração confiável, gerar a chave de prova e a chave de verificação
5. Gerar e verificar provas zk-SNARKs

Este processo envolve princípios matemáticos complexos e técnicas de criptografia, que são a base para a realização de zk-SNARKs eficientes.