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原文题目:《ZKPs in Web3: Now and the Future》

原文作者:Mohamed Fouda、Qiao Wang

原文编译:Frank,Foresight News

作为一种足够通用的手艺,ZK 可以拥有多种用例,而我们正处于弄清晰该手艺可以实现的所有用例的早期阶段。一些显著的 ZK 用例已经找到了真正的应用,例如实现生意隐私和数据压缩(即 Rollup),然而要让 ZK 被主流接纳,仍然需要挖掘进一步的潜在用例和手艺提高。

本文我们将首先回首 ZKP 的差异应用,然后将讨论什么可以实现这项手艺的下一阶段,以及一些可以从这项手艺中受益的创业想法。

ZKP 的应用舆图

自觉现以来,零知识证实(ZKP)已在加密行业站稳脚跟。

ZKP 确实存在一些魔力,使这项手艺异常令人兴奋——它允许实体向天下其他地方证实自己知道一条信息或已经准确完成了一项义务,但却无需透露该信息或显示该义务的详细执行信息。

ZK 的数学魔力允许我们通过检查天生的 ZKP 来信托该知识或义务已执行完毕,出于这个缘故原由,ZKP 的第一个也是最一致的用例就是以隐私为中央的加密网络,ZKP 还被用于提供以太坊 L1 上关于 L2 生意的有用性证实,以引入 ZK Rollup 的看法,此外 ZKP 在差其余项目中也被普遍应用于其他小众应用程序。

注重隐私的支付和协议

ZKP 自然而然地实现了隐私特征,稀奇是在去中央化网络中,人们缺乏可以充认真相泉源的中央化权威——ZKP 允许 Web3 用户(证实者)向网络验证者证实他们的生意是有用的,即他们有足够的余额可以破费,而无需透露生意细节,例如生意金额、发送者或吸收方地址。

ZKP 最初是为了支持 Zcash 网络中的隐藏支付(即私有支付)而开发的,随后扩展到了其他网络,包罗:

ZK Rollups 的验证

ZKP 的另一个主要用例是在底层 L1 上天生 Rollup 有用性证实,通用 Rollup 通过晦气用 ZKP 的隐私功效来优化吞吐量,即证实更多的生意(TX),在这种权衡中,ZKP 仅用来证实 L2 生意执行的准确性。

由于一些通用函数不能被有用地证实,因此天生 ZKP 来证实随便智能合约的准确执行是很难题的,解决这个问题需要实现专门的虚拟机(VM),这些 VM 可以使用底层 ZK 电路有用地举行验证。由于这种庞大性,ZK Rollup 最初只支持支付或单个应用程序,例如可以很容易地天生 ZKP 的 DEX。

这里的例子包罗 zkSync 1.0 和 Loopring,之后通用的 zkEVM 实现最先泛起在市场上,包罗 Starknet、zkSync 2.0、Polygon zkEVM 和 Scroll。现在所有 ZK Rollup 都在以太坊上,但实在也可以在包罗比特币在内的其他链上实现 ZK Rollup。

然而,比特币 Rollup 的实行将需要更改比特币操作码并举行链的硬分叉,这通常不受比特币社区的迎接。

其他 ZKP 应用

除了注重隐私的应用程序和 Rollup 之外,ZKP 还在其他区块链协议中举行更普遍方面的应用。

Mina

Mina 使用 ZKP 将区块链状态压缩成很小的规模(约 22 KB),为了实现这一点,Mina 使用递归 ZKP,即其他 ZKP 的 ZKP。

当在 Mina 网络中天生一个区块时,zk-SNARKs 被用来天生该区块的证实,以确保其有用性;当新的区块引用以前的区块时,新区块的 ZKP 会验证所有以前的区块,同时保持恒定的巨细。

Filecoin

Filecoin 使用 ZKP 来确保留储提供商准确存储他们声称要存储的数据,此历程称为复制证实 (PoReb)。

在此历程中,存储提供程序天生 ZKP 以证实它们正在存储数据的唯一副本,即非由其他存储提供程序维护的副本。ZKP 为希望实现一定冗余和可用性水平的 Filecoin 用户提供了保证,此外由于证实的巨细比存储的数据小得多,因此使用 ZKP 可以降低存储提供程序的带宽要求。

Celo Plumo

Celo Plumo 使用 ZKP 来确立可在手机和其他资源有限的装备上使用的超轻量级网络客户端,只管客户端具有轻量级性子,但它可以保证其接见状态的准确性。

Dark Forest

Dark Forest 是 ZKP 在游戏领域最受迎接的应用。只管 ZKP 的使用相符隐私用例,但 Dark Forest 在支付网络中的金融应用之外,将它用于确立一个不完全信息游戏的应用,以是这是一个与众差其余用例。

ZKP 的生长轨迹及其应用

2016 年之前,ZKP 作为一个研究课题,只在少数的学术圈子里讨论。当 Zcash 首创团队确立第一个 ZKP 变体(zk-SNARK)以支持 Zcash 网络中的屏障 / 私有生意时,一切最先改变。

有了真正的用例,人人对 ZKP 的兴趣就越来越大,这进一步导致了更好的 ZKP 变体,从而成为第一章节中讨论的许多项目的基础,然而该手艺需要进一步的 ZKP 开发才气被主流接纳。

为了领会若何进一步改善手艺,我们可以向人工智能(AI)等类似手艺学习,由于在许多方面 ZKP 手艺类似于 AI 手艺,以是预计它也将遵照类似的轨迹。

与 ZKP 一样,AI 最初是一项有前途的手艺,可以解决许多问题。然而最初的 AI 算法在功效上受到限制,而且盘算庞大性远远跨越了可用硬件的能力,这使得 AI 应用希望缓慢且不切现实,从而主要被局限于研究实验室。

后续通过发现深度神经网络 (DNN) 等新架构和行使 GPU 提高执行速率,AI 连续实现逐步改善,最终导致了突破,例如 2012 年的 AlexNet 在最著名的盘算机视觉竞赛 ImageNet 中以伟大的优势获胜。AlexNet 是 AI 时代的最先,它导致了当前令人兴奋的 AI 应用程序,如 GPT-3、Dall.E 2 和 Stable Diffusion。

今天的 ZKP 状态类似于早期的 AI 状态,这是一项有前途的手艺,仍在起劲开发中,而且因盘算麋集型特征而导致证实时间很长。从 AI 的提高轨迹中学习,我们可以确定 ZKP 手艺腾飞需要解决的瓶颈。

1. 算法 / 电路改善

就像 AI 从 LeNet-5 到 AlexNet,从 Resnet-50 到 Transformer 一样,ZKP 算法也将履历开发阶段以显著提高性能。我们已经看到这方面的希望,自 2011 年引入 zk-SNARKs 以来,行业已经开发了更先进的算法。

譬如 2018 年 Starkware 首创人开发的 STARK,这是一种不需要可信设置且证实天生时间更短的 ZKP 方式,这项手艺是 Starkware 旗下 StarkNet 在内的几款产物的基础。

随着在 2019 年引入 PLONK,ZKP 继续取得希望——PLONK 是一种 SNARK 实现,允许许多应用程序使用单个受信托的设置,而无需重复设置。PLONK 刺激了多种 ZKP 实现的开发,被多个 Web3 协议(如 Aztec、Mina 和 Celo)使用。

2. 执行引擎优化

ZKP 的一个主要限制是盘算庞大性导致较长的证实时间。例如最近宣布的 Polygon zkEVM,需要在 64 核服务器上运行约莫 5 分钟才气天生 50 万 Gas 盘算的证实。

缩短 ZKP 验证时间是将 ZKP 手艺纳入主流的要害部门,与 AI 类似,优化软件执行引擎和使用专用硬件都是实现这一目的的需要条件。

优化的软件

许多 ZKP 天生操作都是大规模并行的,这意味着并行处置(例如 GPU)可以加速 ZKP 盘算。专用的 GPU 库(如 CUDA)可用于加速 Nvidia GPU 上 ZKP 的盘算,由于每个项目都使用差其余 ZKP 算法,因此有几个项目正在实验在内部举行开发。

一个值得注重的例子是 Filecoin 对 Groth16 算法的实现,该算法使用 GPU 来加速证实历程;另一个例子是 Edgeswap 使用 GPU 将 PLONK 的验证时间缩短了 75%。

专用硬件

由于 GPU 对 ZKP 验证时间的改善通常是有限的,因此另一种选择就是使用专用硬件,例如 FPGA 或 ASIC。

在制造专用芯片(即 ASIC)的昂贵起劲之前,FPGA 通常被以为是硬件原型设计平台。FPGA 或连系 GPU 和 FPGA 的夹杂解决方案,可以在中短期内加速 ZKP 应用于 Rollup 和注重隐私的网络。

然而若是 ZKP 手艺生长到我们预期的水平,ASIC 最终将赢得这个市场。现在 ZKP 的硬件加速尚未获得充实解决,这可能是由于 ZKP 算法的多样性和碎片化,然则我们信托通过准确的商业模式,一些初创公司可以专注于开发和钱币化这部门手艺客栈。

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3. 软件抽象层

为了释放 ZKP 的潜力,需要构建多个抽象层和工具,这些抽象对于简化 ZKP 应用程序的开发历程是需要的——允许每组开发职员专注于他们最善于的事情,例如应用程序开发职员不应该忧郁 ZK 电路的底层细节以及它们是若何事情的。

再次使用 AI 类比,通过确立多个抽象层,AI 可以取得伟大提高。使用这些抽象,AI 应用程序开发职员无需忧郁 NN 架构或硬件资源分配,由于 TensorFlow 和 PyTorch 等 框架抽象出了所有这些底层细节。

ZK 开发客栈还没有像 AI 客栈那么完善,然则仍有一些起劲来构建这些抽象层:客栈的底部存在低级 ZKP 库,如 PLONK 和 STARK ;在该层之上,诸如 Noir 之类的高级语言试图抽象出底层的 ZK 密码学,并辅助应用程序开发职员专注于应用程序逻辑;Circom 是另一种盛行的 ZKP 语言,位于这两层之间,由于它既可用于确立庞大的 ZK 后端,也可用于开发基于 ZKP 的应用程序。

Web3 中 ZKP 抽象的另一个例子是 StarkWare 的 Cairo 语言,它允许开发职员实现在底层使用 STARK 证实的通用智能合约。为了提供进一步的抽象,Nethermind 的 Warp 工具允许 Solidity 开发职员将他们的 Solidity 代码直接转换为 Cairo。

譬如使用 Warp,可以将 Uniswap V3 代码转译为 Cairo,且只需对原始 Solidity 代码举行最少的更改。

ZKP 的创业时机

基于对 ZKP 可能生长路径的讨论,我们确定了一些与 ZKP 相关的创业想法,主要理念分为两类:工具和应用。

ZKP 工具

1.高级开发框架

与 AI 中的 Tensorflow 和 PyTorch 类似,高级 ZKP 开发框架对于在应用程序级别实现创新至关主要。这些框架需要:

  • 支持种种 ZKP 后端和硬件环境,例如 CPU 和 GPU;

  • 允许高效的调试和测试;

  • 提供包罗示例和教程的厚实开发环境;

以太坊生态系统中最靠近的例子是 Hardhat 和 Foundry,但它们不太可能很快支持 zkEVM 或 ZKP,相反,像 Cairo 这样的现有抽象事情,最终可能会生长到填补这个空间。

2. ZK Rollup SDK

ZK Rollup 越来越受迎接,可以为游戏或高吞吐量 DeFi 协议启用特定于应用程序的 L2。在这种情形下,ZK Rollup 主要认真执行和结算,而共识和数据可用性将由 L1 处置。

然则启动特定于应用程序的 ZK Rollup 仍然异常庞大,我们信托提供对开发职员友好的 SDK 来启动自界说 ZK Rollup 的初创公司将解决真正的营业需求,并可以通过提供开发工具箱、开发职员服务、排序器服务和支持基础设施来成为价值营业。

3. ZKP 硬件加速器

以特定用例为目的并确立早期市场领先职位的专业硬件公司最终成为具有伟大价值的公司,人工智能就是云云——Nvidia 通过专注于人工智能硬件成为最有价值的北美半导体公司。

在比特币挖矿领域也是云云,那时比特大陆(Bitmain)、嘉楠科技(Canaan)和 Whatsminer 通过专注于 ASIC 矿机而成为独角兽,而设计和制造高效 ZKP 硬件加速器的公司也将遵照相同的轨迹。

ZKP Web3 应用程序

1.ZK 跨链桥和互操作性

ZKP 可用于为跨链新闻转达协议确立有用性证实,其中跨链新闻可以在目的链上快速验证,这类似于在底层 L1 上验证 ZK Rollup 的方式。然则对于跨链新闻转达,庞大性更高,由于要验证的署名方案和加密函数在源链和目的链之间可能差异。

2. ZK 链上游戏引擎

Dark Forest 证实晰 ZKP 可以使信息不完全的链上游戏成为可能,这对于设计更具互动性的游戏至关主要,在这些游戏中玩家的行为在决议公然之前是保密的。随着链上游戏的成熟,我们预计 ZKP 将成为游戏执行引擎的一部门,因此对于乐成将隐私功效集成到高吞吐量链上游戏引擎中的初创公司来说,时机伟大。

3. 身份解决方案

ZKP 可以在身份领域确立新的时机,譬如用于确立声誉或毗邻 Web2 和 Web3 身份,现在我们的 Web2 和 Web3 身份是脱离的,像 Clique 这样的项目通过使用预言机毗邻这些身份。

ZKP 可以通过启用 Web2 和 Web3 身份的匿名链接来进一步接纳这种方式:可以为那些可以使用 Web2 或 Web3 特定领域专业知识的人,提供匿名 DAO 成员资格等场景的用例;另一个用例则是基于乞贷人的 Web2 社会职位(例如 Twitter 关注者的数目),提供无担保 Web3 贷款。

4. 相符律例要求的 ZKP

Web3 使匿名在线帐户能够起劲介入金融系统,从这个意义上说,Web3 实现了伟大的财政自由和包容性。随着 Web3 律例的增添,ZKP 可在合规的基础上不损坏匿名性,譬如 ZKP 可用于证实用户不是受制裁国家的公民或住民,ZKP 还可用于证实及格投资者身份或任何其他 KYC/AML 要求。

5. 原生 Web3 私募债务融资

TradeFi 债务融资通常用于支持发展中的初创公司加速增进或启动新的营业线,而无需筹集分外的风险资金。

Web3 DAO 和匿名公司的兴起为 Web3 原生债务融资缔造了时机,例如使用 ZKP,DAO 或匿名公司可以凭证其增进指标的证实,以具有竞争力的利率获得非抵押贷款,而无需向贷方透露乞贷人的信息。

6. 私有 DeFi

金融机构通常会对其生意历史和风险敞口举行保密,但由于区块链剖析的不停生长,当使用链上产物(即 DeFi 协议)时,要知足这一点就十分具有挑战性,一个可能的解决方案是开发以隐私为中央的 DeFi 产物,以珍爱协议介入者的隐私。

譬如 Penumbra 的 zkSwap,此外 Aztec 的 zk.money 通过模糊用户介入的 DeFi 协议操作,也提供了一些私有 DeFi 赚钱时机。

一样平常来说,乐成实行高效且注重隐私的 DeFi 产物的协议,可以从机构介入者那里获得可观的用户数目和收入。

7. 基于 ZKP 的 Web3 广告

Web3 推动用户对其数据的所有权,例如浏览历史纪录、私人钱包流动等,Web3 还可以使这些数据钱币化以造福用户。由于数据钱币化可能与隐私相矛盾,ZKP 可以在控制小我私人数据的哪些方面可以向广告商和数据聚合商披露方面施展主要作用。

8. 私人数据的共享和钱币化

若是与准确的实体共享,我们的大部门私人数据可能都市发生很大的影响。譬如小我私人康健数据可以众包,以辅助研究职员开发新药;私人财政纪录可以与羁系机构和羁系机构共享,以识别和责罚溃烂等等;ZKP 可以实现此类数据的私人共享和钱币化。

9. 去中央化的情报组织

ZKP 可以催生去中央化的情报组织。在这些系统中,情报职员、数据侦探和特工可以成为网络的一部门,而无需互动或相互领会。介入者可以在吸收私人付款以换取该数据之前,使用 ZKP 来证实对某些情报数据的领会。此类系统还可以促进协作和可组合的方式,以厚实或注释网络的数据,同时保持介入者的隐私。

10. 私人治理

随着 DAO 和链上治理的激增,Web3 正在向直接介入的民主靠拢,当前治理模式的一个主要缺陷是介入的非隐私性。ZKP 可能是解决此问题的基础,治理介入者可以在不透露他们若何投票的情形下投票。此外 ZKP 可以将治理提案的可见性限制为 DAO 成员,从而使 DAO 能够确立竞争优势。

结论

ZKP 手艺是 Web3 领域最具创新性的手艺之一,它为突破性的协媾和公司提供了多种时机。


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