zk-SNARK: Nguyên lý cơ bản và ứng dụng trong ngành

Một, sự phát triển của zk-SNARK

Hệ thống chứng minh không kiến thức hiện đại bắt nguồn từ bài báo tiên phong của Goldwasser, Micali và Rackoff vào năm 1985. Bài báo này khám phá lượng kiến thức cần trao đổi để chứng minh tính đúng đắn của một tuyên bố trong các hệ thống tương tác qua nhiều vòng tương tác. Nếu có thể hoàn thành chứng minh mà không trao đổi bất kỳ kiến thức nào, thì được gọi là chứng minh không kiến thức. Mặc dù hệ thống tương tác này đúng theo nghĩa xác suất, nhưng không hoàn hảo.

Sự xuất hiện của hệ thống không tương tác (NP) đã làm cho zk-SNARK trở nên hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, các hệ thống zk-SNARK đầu tiên còn thiếu sót về hiệu suất và tính thực tiễn, chỉ dừng lại ở mức lý thuyết. Đến gần đây, với sự phát triển của mật mã trong lĩnh vực tiền điện tử, zk-SNARK mới thực sự bước vào ứng dụng.

Một mục tiêu chính của zk-SNARK là phát triển các giao thức chung, không tương tác và có kích thước chứng minh hạn chế. Điều này cần phải cân nhắc giữa tốc độ chứng minh, tốc độ xác minh và kích thước chứng minh.

Bài báo của Groth năm 2010 là một trong những bước đột phá quan trọng nhất của zk-SNARK, đặt nền tảng lý thuyết cho nó. Năm 2015, Zcash đã áp dụng zk-SNARK vào việc bảo vệ quyền riêng tư giao dịch, mở ra một kỷ nguyên mới cho sự kết hợp giữa zk-SNARK và hợp đồng thông minh.

Các thành tựu học thuật quan trọng khác bao gồm: Giao thức Pinocchio vào năm 2013, Thuật toán Groth16 vào năm 2016, Thuật toán Bulletproofs vào năm 2017, Giao thức zk-STARKs vào năm 2018, v.v. Nghiên cứu này đã thúc đẩy sự tiến bộ liên tục của zk-SNARK trong hiệu suất và phạm vi ứng dụng.

Hai, ứng dụng chính của zk-SNARK

zk-SNARK hiện tại có hai lĩnh vực ứng dụng rộng rãi nhất là bảo vệ quyền riêng tư và mở rộng.

Trong lĩnh vực bảo vệ quyền riêng tư, các dự án tiêu biểu từ sớm bao gồm Zcash và Monero. Mặc dù sự cần thiết của giao dịch riêng tư không nổi bật như mong đợi, nhưng các dự án này vẫn tiếp tục phát triển.

Trong việc mở rộng, khi Ethereum chuyển sang hướng mở rộng tập trung vào rollup, các giải pháp mở rộng dựa trên zk-SNARK lại trở thành tâm điểm. Chủ yếu có hai cách thực hiện: mở rộng mạng lớp một ( như Mina ) và mở rộng mạng lớp hai ( tức là zk-rollup ).

Các vai trò cốt lõi của zk-rollup bao gồm Sequencer và Aggregator. Sequencer chịu trách nhiệm gói các giao dịch, Aggregator sẽ hợp nhất một lượng lớn giao dịch và tạo ra zk-SNARK để cập nhật trạng thái chuỗi chính.

Ưu điểm của zk-rollup là phí thấp, tính cuối cùng nhanh chóng và bảo vệ quyền riêng tư. Tuy nhiên, cũng có những thách thức như khối lượng tính toán lớn và cần có thiết lập đáng tin cậy.

Hiện tại, các dự án zk-rollup chính trên thị trường bao gồm StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll, v.v. Những dự án này chủ yếu lựa chọn giữa SNARK( và các phiên bản cải tiến của nó ) và STARK, cũng như mức độ hỗ trợ EVM.

Tính tương thích EVM là một vấn đề quan trọng. Một số dự án chọn hoàn toàn tương thích với mã vận hành Solidity, trong khi những dự án khác thiết kế máy ảo mới để vừa thân thiện với ZK vừa tương thích với Solidity. Trong những năm gần đây, sự tiến bộ nhanh chóng về tính tương thích EVM hứa hẹn sẽ đạt được việc di chuyển liền mạch của các nhà phát triển từ chuỗi chính Ethereum sang zk-rollup.

Ba, nguyên lý cơ bản của zk-SNARK

zk-SNARK là viết tắt của zero-knowledge Succinct Non-interactive ARguments of Knowledge, có những đặc điểm sau:

• Zero Knowledge: quy trình chứng minh không rò rỉ thông tin thừa
• Succinct: kích thước chứng thực nhỏ
• Non-interactive: phi tương tác
• Arguments: Tính đáng tin cậy
• của Kiến thức: Người chứng cần biết thông tin hợp lệ

Quy trình chứng minh zk-SNARK của Groth16 chủ yếu bao gồm:

1. Chuyển đổi vấn đề thành mạch điện
2. Chuyển đổi mạch thành dạng R1CS
3. Chuyển đổi R1CS sang dạng QAP
4. Thiết lập cấu hình đáng tin cậy, tạo khóa chứng minh và khóa xác thực
5. Tạo và xác minh chứng zk-SNARK

Công nghệ zk-SNARK đang phát triển nhanh chóng, trong tương lai hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong nhiều lĩnh vực.