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。

DeFi借贷平台Avax Fi从Zen Capital获得风险投资资金:金色财经消息，DeFi借贷平台Avax Fi从专注于Web3的风险投资基金Zen Capital获得风险投资。AvaxFi团队开发了一个用户友好、可扩展且完全去中心化的平台，用于即时贷款审批、自动抵押品、去信任托管和增强贷款流动性。AvaxFi建立在Avalanche之上，旨在释放下一代无缝、快速和安全的加密借贷。

Zen Capital此前投资了数个以太坊和Solana生态项目，包括SolChicks、Mars4、SpellFire、Ertha和Soldex。（Bitcoinist）[2022/6/9 23:02:59]

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。

数字艺术家Beeple将打造线下NFT工作室:10月17日消息，数字艺术家Beeple正打造位于美国南卡罗来纳州的线下NFT工作室，该空间将用于创作和分享数字艺术作品，旨在向将为新玩家展示NFT，将NFT带入现实世界。

此前消息，去年11月10日，Beeple的艺术品“HUMANONE”在佳士得以6103枚ETH的价格成交，为CryptoArt.Ai网站统计的史上第二昂贵NFT作品。（Decrypt）[2022/10/17 17:29:20]

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。

Binance Labs对Aptos Labs进行战略投资:金色财经报道，币安发布公告称，Binance的风险投资部门和加速器Binance Labs对Aptos Labs进行了战略投资，这是继今年3月宣布的第一轮融资之后的后续投资，融资金额未披露。为了继续构建安全且可扩展的区块链，Aptos将利用筹集的资金来扩大团队并支持其Layer1基础设施的开发。该团队还将构建生态系统计划和工具，以进一步发展Aptos社区。[2022/9/15 6:59:22]

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：

持有10枚以上ETH硬币的地址数量达到历史新高:金色财经报道，Glassnode数据显示，持有10枚以上ETH硬币的地址数量刚刚达到 317,004 的历史新高。[2022/9/3 13:06:53]

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。

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：

“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.”

以太坊鲸鱼交易量创4个月新高:金色财经报道，据Santiment数据，以太坊鲸鱼在四个月不活动后开始积极增持ETH。在过去的几天里，以太坊鲸鱼的活动急剧增加，仅在昨天就进行了近2,600笔交易，每笔交易价值超过100万美元。这是自1月份以来单日此类交易活动的最高数量。该公司指出，这种活动的增加是在市场范围内的回撤之际，这在整个加密货币领域引发了冲击波。5月2日，持有1,000至10,000ETH的实体突然增加了142,000ETH，当时价值约407,415,040美元。（cryptopotato）[2022/5/14 3:15:29]

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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