STARK:零知识证明的技术路径之争：zk-SNARK和zk-STARK谁更优？

作者:Chloe

Crypto行业被广泛关注的零知识证明（Zero—Knowledge Proof）技术，并非是这几年刚冒出来的新技术，而是在1980年就被数学家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。

零知识证明涉及一系列步骤，可以实现密码学中的「可用而不可知」。

而区块链有着公开透明、不可篡改等特征，意味着加密投资者的链上资产及交易记录是没有隐私可言的，于是零知识证明技术被引入了区块链，当中以zk-SNARK和zk-STARK最为关注。

zk-SNARK被项目方采用得最多，zk-STARK则被密码学专家认为优于ZK-SNARK。那么综合技术与实际应用，二者谁更优？

zk-SNARK：简洁 + 非交互性

Alessandro Chiesa等人在2012年开发了zk-SNARK协议，这是一种简洁化、非交互式的零知识证明技术，全称是zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge，可以拆解成三部分来理解：

Type 1零知识以太坊虚拟机Taiko Labs A轮前融资获1200万美元:金色财经报道， Type 1 零知识以太坊虚拟机Taiko Labs A 轮前融资获1200 万美元，由 Generative Ventures 领投 。以太坊联合创始人 Vitalik Buterin表示，Type 1 ZK-EVM 是我们最终需要使以太网 L1 层本身更具可扩展性的东西。 它们也是 rollups 的理想选择，因为它们允许 rollups 重用大量基础设施。[2023/6/12 21:30:36]

zero-knowledge：

零知识证明，在不暴露隐私情况下向对方证明一件事情，让数据「可用而不可知」。

succinct：

简洁性，要证明的东西占用的空间很小，而且可以快速验证（几毫秒）。

研究机构Geometry将正式启动并支持采用零知识系统和应用数学的Web3项目:6月28日消息，专注于零知识隐私技术的研究和投资公司Geometry已运营几个月时间，负责人为Aztec Network前首席执行官Tom Walton-Pocock，团队成员还包括Celo密码学负责人Kobi Gurkan和Oiler Network前增长主管Gregoire Le Jeune。Geometry表示，其还获得了由对冲基金经理Alan Howard支持的孵化器WebN Group的孵化。

Geometry已领投以色列零知识半导体公司Ingonyama的400万美元种子轮融资，并领投了对NFT市场流动性项目Soap Labs的200万美元种子轮融资，以及参投了跨链基础设施Socket的种子轮融资。[2022/6/28 1:36:24]

non-interactive：

以太坊基金会更新支持的研发项目，涉及零知识证明的项目数量最多:4月27日消息，以太坊基金会公开了正在支持的研发团队的项目和领域，其中涉及“应用零知识证明”的团队和技术最多，近14个项目。

除了零知识证明之外，以太坊基金会还支持了关于ETH2研究、以太坊基金会官网、Ewasm、形式化验证、Geth客户端、Javascript团队、Remix、无状态客户端、Solidity等领域。[2021/4/27 21:03:39]

非交互性，意味着证明者和验证者之间不需要有交集即可快速地得到验证结果。

zk-SNARK的简洁性和非交互性，是相对于传统的零知识证明方案而言的。

简单来说，传统方案是交互式证明，即示证者（宣称某一命题为真）和验证者（确认该命题确实为真）之间反复确认，你可以理解为示证者不断向验证者询问“是或不是？”，然后验证者不断给出回答，直到最后碰出一个正确答案来，所以效率很低。

零知识证明研发机构StarkWare将在几周内开源ethSTARK:零知识证明研发机构 StarkWare 称，2018年我们获得以太坊基金会的资助去探索对 STARK 友好的哈希函数以及开源 ZKP 代码。我们将在几周内提前完成我们的工作。ethSTARK代码的运行速度将比现有的任何 ZKP 代码快20倍。注，2018年7月份，StarkWare称获得了以太坊基金会的资助（现金+代币），将研发对STARK 友好的哈希函数和技术，并为生态系统提供开源代码。STARK将允许区块链在兼备隐私和后量子安全的情况下进行大规模扩展（例如分片）。[2020/5/26]

zk-SNARK的解决方案则不需要双方反复确认“是或不是”，而是提前先搞一个「可信初始化」，从而生成公共参考字符串（CRS），然后所有的示证者都可以直接访问它。

打一个通俗的比方。交互式证明相当于老师要批改每一个考生的每一道考题，效率很低，但正确答案只掌握在老师这边，基本不存在有人偷答案的情况。

动态 | 荷兰国际银行推出区块链隐私零知识技术:据coindesk消息，荷兰国际银行(ING Bank)本周在Sibos银行会议上宣布，将发布其零知识集员(ZKSM)解决方案，将零知识技术应用于区块链隐私。ZKSM允许在指定集合内验证字母数字数据。实际上，这意味着从数字转移到其它类型的数据，比如证明维度和地理位置。[2018/10/22]

但zk-SNARK直接上传了正确答案，然后让考生自己对答案（把自己解的某道题发送给后台系统，就会直接得到正确与否的最终结果），非常高效，代价是答案有可能被泄露，虽然这个答案系统是经过加密的。

因此针对zk-SNARK容易被泄露的问题，有很多围绕着提高「答案系统」安全性的解决方案，不同采用zk-SNARK的项目方的方案各有不同。如zCloak钱包是直接把算法以纯文本的形式发给用户，用户下载到本地去做计算（所以即使断网也依旧能完成工作）。

zk-STARK：概率证明+缓冲时间

zk-STARK是成立于2017年12月的StarkWare团队开发的，它是针对zk-SNARK的替代解决方案。研发历时一年多，经过无数次迭代才彻底搞定，已经到2019年了。

zk-SNARK是提前生成公共参考字符串，用非交互式证明的方式提高了证明效率，但也留下了隐患。zk-STARK虽然是交互式证明，但它是一种巧妙的交互式证明——通过哈希函数碰撞（一种概率证明的方式）来保证安全性，因此也实现了高效证明。

这个思路直接借鉴自2015年推出的交互式预言机证明（IOP）技术，简单来说是先把问题用密码学的方式打碎，然后验证者随机向示证者提出几个的问题，如果几轮下来，示证者都给出准确的回答，那么验证就通过了。

所以zk-STARK同样也只需要极少的计算资源就可以完成证明，但是它更安全，不存在答案泄露的风险。并且为了进一步确保安全性，还设置了争议时间延迟（DTD）来作为缓冲。

  zk-SNARK和zk-STARK的区别

1.透明度

zk-SNARK的公共参考字符串通常由一个小团体来保管，因此有泄露的可能性，从而被恶意利用，如创建虚假证明。

zk-STARK则直接利用生成随机性的参数来验证，不需要任何第三方的「答案系统」，因此透明度大幅提高。

2.抗量子计算机攻击

zk-SNARK未来会轻易被量子计算机暴力破解（通过分解计算从公钥中提取私钥）。当然，量子计算何时到来还是个问题。

zk-STARK采用的是哈希函数碰撞的方法来证明，理论上量子计算机的暴力破解是无效的。

3.可扩展性

zk-SNARK的证明在链上更具可扩展性（生成的证明的字节数更小），zk-STARK在纯链上似乎没有优势。

StarkWare官网宣称是最快的，可能是因为zk-STARK允许链下进行大规模计算和存储，然后在链上完成验证，因此可扩展性显著提升（甚至可以提高10倍），而成本显著降低。

总结

zk-SNARK技术被采用得最多，尤其是在以太坊扩容场景中。zk-SNARK主要是围绕「隐私保护」去做身份、支付、DeFi、资产证明等各种应用。

zk-STARK虽然也在发展之中，但技术尚不成熟，至少在通用性上受限，所以我们看到大多是围绕着「可扩展性」去做各种应用。

不过据StarkWare团队在2022年的说法，已经解决了可扩展性，该把目标瞄准「隐私保护」了，而方式是通过StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分层的方式解决，这似乎与zk-STARK证明系统本身没有直接关系。

至少就目前而言，大多数以太坊Layer2项目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都采用的是zk-SNARK技术路线，除了通用性上受限，还有一个原因是普遍反馈说zk-STARK的开发难度过大……

当然长远来看，zk-STARK可承载的运算量更大，可能更有前景。

总的来说，zk-SNARK和zk-STARK的关系，?有些像Optimistic rollups和ZK rollups的关系，前者短期利好，后者长期利好。

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