密码学新趋势：零知识机器学习是什么？

原文：《AN INTRODUCTION TO ZERO-KNOWLEDGE MACHINE LEARNING (ZKML)》by dcbuilder.eth, Worldcoin

编译：深潮 TechFlow

Zero-Knowledge 机器学习（ZKML）是最近正在密码学界引起轰动的一个研究和开发领域。但它是什么，有什么用处呢？首先，让我们把这个术语分解成它的两个组成部分，并解释一下它们是什么。

零知识证明是一种密码协议，其中一方（证明者）可以向另一方（验证者）证明一个给定的陈述是真实的，而不泄露除该陈述为真以外的任何附加信息。这是一个正在各个方面取得巨大进展的研究领域，涵盖了从研究到协议实施和应用的所有方面。

ZK 提供的两个主要“原语”（或者说构建块）是能够为一组给定的计算创建具有计算完整性证明的能力，其中证明比执行计算本身要容易地多。（我们称这种属性为“简洁性”）。ZK 证明也提供了隐藏计算中某些部分同时保持计算正确性的选项。（我们称这种属性为“零知识性”）。

生成零知识证明需要非常大的计算量，大约比原始计算贵 100 倍。这意味着，在某些情况下由于最佳硬件上生成它们所需的时间使其不切实际，因此不能计算零知识证明。

Mano 首席技术官：Web3 的额外部分是对等发现层、密码学和共识协议:金色财经现场报道，在Coinlive举办的峰会上，题为“塑造新加坡数字资产类别的未来”的圆桌讨论邀请了 Cobo 首席运营官 Lily Z. King、新加坡管理大学 (SMU) 经济学助理教授（实践） Goh Jing Rong、Immin Mano Thanabalan 首席技术官、德国创业亚洲 Yitch，区块链协会 (BAS) 合作伙伴总监 Yoon KC (Steven)。关于 Web3 是什么以及数字资产在 Web3 生态系统中扮演什么角色的问题，Mano 首先说 Web3 的额外部分是对等发现层、密码学和共识协议，这可能是最有趣的。 YC 澄清应该是 Web3 而不是 Web 3.0。

Lily 补充说，EWeb3 有望成为一个更加开放的互联网，让所有用户都能从中受益。 Jing Rong 列出了下一代互联网的三个定义，使用新闻技术来改进当前的网络，并专注于去中心化，即控制权被分配给生态系统中的多方。最后一个给出答案的 Yitch 解释说，归根结底，数字资产只是数字，除非你可以创造现实世界的效用。其他问题，如数字资产的机构采用、法规等，引起了小组成员的不同回应。[2022/12/22 22:00:54]

然而，在近年来密码学、硬件和分布式系统领域的进步已经使零知识证明成为了越来越强大的计算可行的选择。这些进展已经为可以使用计算密集型证明的协议的创建提供了可能，从而扩大了新应用程序的设计空间。

海南大学密码学院获批国家重点研发计划“区块链”重点专项项目:金色财经报道，近日，海南大学密码学院教授曹春杰牵头，联合中科院信息工程研究所、西安电子科技大学、中国电子科技集团有限公司、国家信息中心等单位科研团队申报的国家重点研发计划“区块链”重点专项项目获得立项批复。

该项目在海南落地实施，并开展区块链技术在金融科技、政务民生、社会治理等场景下的示范应用，将有利于推动海南自贸港开放环境下区块链应用生态的健康发展，为我国区块链监管技术的创新发展探索路径、积累经验、提供示范。（南海网海南新闻）[2022/3/21 14:08:26]

零知识密码学是 Web3 空间中最流行的技术之一，因为它允许开发人员构建可扩展和/或私有的应用程序。以下是一些实践中如何使用它的示例（尽管请注意，这些项目中许多都还在进行中）：

1.通过 ZK rollups 扩展以太坊

Starknet

Scroll

Polygon Zero，Polygon Miden，Polygon zkEVM

zkSync

2.构建保护隐私的应用程序

Semaphore

MACI

声音 | 中国传媒大学计算机学院副教授：区块链反过来激活了数学和密码学的新应用:在11月8日由中国人民大学国家版权贸易基地主办的“区块链技术与版权保护”研讨会上，中国传媒大学计算机学院副教授姜正涛从密码学角度解读了区块链与版权保护之间的关系。他表示：“密码学过去是‘赔钱’的技术，属于纯开销。有了区块链之后，计算结果本身就有价值，比如电子货物、比特币、版权信息等本身就具有价值，所以区块链反过来激活了数学和密码学的新应用。”而且，区块链可以记录所有发生的交易，可以有效避免造假。另外，区块链对低价值、实时产生的版权数据记录的成本比较低，相较于传统做法，区块链可以节省权利人提交材料、等候审批的人力物力，对于作品价值比较低但是数量大的作品，可以提供较好的保护渠道。[2019/11/21]

Penumbra

Aztec Network

3.身份原语和数据来源

WorldID

Sismo

Clique

Axiom

4.第一层协议

Zcash

Mina

随着 ZK 技术的成熟，我们相信将会出现新的应用程序的爆发，因为构建这些应用程序所使用的工具将需要更少的领域专业知识，对于开发人员来说将会更加容易使用。

声音 | 现代密码学之父：不太清楚区块链未来的发展:据国是直通车消息，近日，“现代密码学之父”Whitfield Diffie接受采访时表示，“我们是否以后回顾当前区块链的发展，就像现在回顾20年以前万维网的这种作用一样，我不知道。决定区块链未来还有一个因素，即它是会变成一个小众人群、专业人士使用的工具，还是大众都使用的工具，这一点我也不清楚，但这都是影响因素。”[2019/4/4]

机器学习是人工智能（“AI”）领域的一个研究方向，使得计算机可以自动从经验中学习和改进，无需明确地进行编程。它利用算法和统计模型来分析和识别数据中的模式，然后基于这些模式进行预测或决策。机器学习的最终目标是开发出能够自适应学习、不需要人类干预以及在医疗保健、金融和交通等各个领域解决复杂问题的智能系统。

最近，您可能已经看到了大型语言模型（如 chatGPT 和 Bard）以及文本到图像的模型（如 DALL-E 2、Midjourney 或 Stable Diffusion）的进展。随着这些模型变得越来越好，并且能够执行更广泛的任务，了解是哪个模型执行了这些操作就变得非常重要，还是操作由人类执行。在接下来的部分中，我们将探讨这个思路。

注：当我们谈论 ZKML 时，我们是指创建 ML 模型推理步骤的零知识证明，而不是关于 ML 模型训练（它本身已经非常计算密集）。目前，现有技术水平的零知识系统加上高性能硬件仍然相差几个数量级，无法证明当前可用的大型语言模型（LLMs）等庞大的模型，但是在创建较小模型的证明方面已经取得了一些进展。

现场 | 密码学专家杨光：实现百万级TPS几年内希望不大 领域内突破将有助发掘新应用场景:金色财经现场报道，在全球区块链开发者2018会议期间，金色财经采访了刚刚演讲的密码学专家杨光。他认为，目前扩容领域研究的主要方向是可验证计算、零知识证明等技术，分片技术也具有广阔的前景。他认为，区块链实现百万级TPS值得追求，但几年内希望不大。当前来看公链上的TPS对于运行当前的应用来讲是够用的，但未来在TPS上的突破，能够提供给我们新应用的探索可能。就像当今互联网速度的提升让我们实现了早期互联网时期人们难以想象的应用一样。[2018/12/16]

我们对零知识密码学在为 ML 模型创建证明的上下文中的现有技术水平进行了一些研究，并创建了一个聚合相关研究、文章、应用程序和代码库的文章集。ZKML 的资源可以在 GitHub 上的 ZKML 社区的 awesome-zkml 存储库中找到。

Modulus Labs 团队最近发布了一篇名为“智能的成本”的论文，其中对现有的 ZK 证明系统进行了基准测试，并列举了不同大小的多个模型。目前，使用像 plonky2 这样的证明系统，在强大的 AWS 机器上运行 50 秒左右，可以为约 1800 万个参数的模型创建证明。以下是该论文中的一张图表：

另一个旨在改进 ZKML 系统技术水平的倡议是 Zkonduit 的 ezkl 库，它允许您创建对使用 ONNX 导出的 ML 模型的 ZK 证明。这使得任何 ML 工程师都能够为他们的模型的推理步骤创建 ZK 证明，并向任何正确实现的验证器证明输出。

有几个团队正在改进 ZK 技术，为 ZK 证明内部发生的操作创建优化硬件，并针对特定用例构建这些协议的优化实现。随着技术的成熟，更大的模型将在较不强大的机器上短时间内进行 ZK 证明。我们希望这些进展将使新的 ZKML 应用程序和用例得以出现。

潜在的使用案例

为了确定 ZKML 是否适用于特定的应用，我们可以考虑 ZK 密码学的特性将如何解决与机器学习相关的问题。这可以用一个 Venn 图来说明：

定义：

1.Heuristic optimization—— 一种问题解决方法，它使用经验法则或“启发式”来找到艰难的问题的好解决方案，而不是使用传统的优化方法。启发式优化方法旨在在相对的重要性和优化难度下，在合理的时间内找到好的或“足够好”的解决方案，而不是尝试找到最优解决方案。

2.FHE ML —— 完全同态加密ML允许开发人员以保护隐私的方式训练和评估模型；然而，与ZK证明不同，没有办法通过密码学方式证明所执行的计算的正确性。

像 Zama.ai 这样的团队正在从事这个领域的工作。

3.ZK vs Validity —— 在行业中，这些术语通常被互换使用，因为有效性证明是ZK证明，不会隐藏计算或其结果的某些部分。在ZKML的上下文中，大多数当前的应用程序都利用了ZK证明的有效性证明方面。

4.Validity ML —— ZK证明ML模型，在其中没有计算或结果被保密。它们证明计算的正确性。

以下是一些潜在的 ZKML 用例示例：

1.计算完整性（有效性 ML）

Modulus Labs

基于链上可验证的 ML 交易机器人 - RockyBot

自我改进视觉区块链（示例）：

增强 Lyra 金融期权协议 AMM 的智能特性

为 Astraly 创建透明的基于 AI 的声誉系统（ZK oracle）

使用 ML for Aztec Protocol（具有隐私功能的 zk-rollup）致力于合同级合规工具所需的技术突破。

2.机器学习即服务(MLaaS) 透明；

3.ZK 异常/欺诈检测：

这种应用场景使得可创建针对可利用性/欺诈的 ZK 证明成为可能。异常检测模型可以在智能合约数据上进行训练，并由 DAOs 同意作为有趣的度量标准，以便能够自动化安全程序，如更主动、预防性地暂停合约。已有初创企业正在研究在智能合约环境中使用 ML 模型进行安全目的的方法，因此 ZK 异常检测证明似乎是自然的下一步。

4.ML 推理的通用有效性证明：能够轻松证明和验证输出是给定模型和输入对的乘积。

5.隐私 (ZKML)。

6.去中心化的 Kaggle：证明模型在某些测试数据上的准确率大于 x%，而不会显示权重。

7.隐私保护推理：将对私人患者数据的医疗诊断输入模型，并将敏感的推理（例如，癌症测试结果）发送给患者。

8.Worldcoin：

IrisCode 的可升级性：World ID 用户将能够在他们的移动设备的加密存储中自我保管其生物特征，下载用于生成 IrisCode 的 ML 模型并在本地创建零知识证明，以证明其 IrisCode 已成功创建。这个 IrisCode 可以被无需许可地插入注册的 Worldcoin 用户之一，因为接收的智能合约可以验证零知识证明，从而验证 IrisCode 的创建。这意味着，如果 Worldcoin 将来升级机器学习模型以一种破坏与其之前版本兼容性的方式创建 IrisCode，用户就不必再次去 Orb，而可以在设备上本地创建这个零知识证明。

Orb 安全性：目前，Orb 在其受信任的环境中执行几个欺诈和篡改检测机制。然而，我们可以创建一个零知识证明，表明这些机制在拍摄图像和生成 IrisCode 时是活动的，以便为 Worldcoin 协议提供更好的活体保证，因为我们可以完全确定这些机制在整个 IrisCode 生成过程中都将运行。

总之，ZKML 技术有着广泛的应用前景，并且正在快速发展。随着越来越多的团队和个人加入到这个领域，我们相信 ZKML 的应用场景将会更加多样化和广泛化。

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