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。

美联储沃勒：美联储正与银行讨论管理人工智能风险:金色财经报道，美联储理事沃勒4月20日表示，随着越来越多的金融机构将人工智能用于客户服务应用、欺诈监控和承保，美联储与其监管的银行就管理与人工智能相关的风险进行了“定期讨论”。沃勒警告称，虽然人工智能可以为银行流程带来新的效率，但它也涉及新的风险。沃勒还表示，所谓的智能合约—或区块链上的自动执行交易，其结果取决于预编程的输入—可以为交易结算的现代化带来“相当大的希望”。不过，他指出，智能合约也会带来风险，例如网络漏洞。[2023/4/21 14:16:47]

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。

ETH未平仓合约超过76亿美元触及一年高点:金色财经报道，根据 CoinGlass，截至周五，ETH 未平仓合约超过 76 亿美元。其中，币安上未平仓合约超过 30 亿美元，仅次于去年 8 月。OKX 未平仓合约达到 13.9 亿美元，为近 18 个月以来的最高点。Bybit 以 12.4 亿美元创下 16 个月新高。?ETH 未平仓合约在 2021 年 11 月创下历史新高，为上一轮牛市的最高点，为 112 亿美元。

根据数据分析公司 CryptoQuant 的说法，上涨轨迹可能会加强当前的价格上涨趋势。[2023/4/14 14:04:12]

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。

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。

Rabby Wallet新增合约权限撤销功能，支持一键撤销多个合约权限:10月28日消息，DeBank插件钱包Rabby Wallet新增合约权限撤销功能，用户可在钱包内查看所有已许可合约，并支持一键撤销多个合约权限[2022/10/28 11:51:38]

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：

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：

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

广东省肇庆市整治虚拟货币挖矿，查处电脑矿机207台:4月25日消息，广东省肇庆市发改局去年以来联同多部门重拳出击，持续打击市内虚拟货币“挖矿”行为。目前，国家和省推送的涉肇虚拟货币“挖矿”名单已全部实地清理，查处电脑矿机207台。此前，广州市、揭阳市、惠州市都进行了虚拟货币“挖矿”整治工作。[2022/4/25 14:46:43]

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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