NAR: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。

分析：从技术层面来说，Celsius可能已经资不抵债:6月6日消息，据推特用户yieldchad分析，从技术层面来说，Celsius可能已经资不抵债。该项目一共有100万枚ETH，但只有26.8万枚（近27%）是有充足流动性的；另外44.5万枚拿的是Lido的stETH，按当前Curve的汇率只能换出28.7万枚ETH；最后28.8万枚直接质押进了以太坊2.0合约，一时半会（至少1年内）拿不出来。按照每周5万枚ETH的速度，Celsius在五周内就会耗尽具有流动性的ETH。[2022/6/6 4:05:49]

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。

在衡量 ZK 应用之前，我们首先要测试 ZK 协议底层 commitment 的性能。

工信部电子五所相里朋：从技术角度看 区块链监管需从三个方面实现:工信部电子第五研究所区块链创新团队负责人、高级工程师相里朋表示，关于区块链的有效监管，应形成区块链系统柔性监管平台，实现对各类区块链系统的实时态势感知，监控非法交易、欺诈行为、非法信息发布等各类非法行为。从技术角度看，区块链监管需从以下三个方面实现：一是整合链上链下数据，以及不同区块链系统的数据，形成统一的综合性区块链信息库，并实现高效智能的信息检索查询管理；二是实现对区块链系统中各种交易模式的识别，进一步分析识别出非法的交易行为；三是分析区块链链上数据中的非法舆情信息，以及链下的互联网和现实中的区块链相关舆情信息，实现全面的区块链舆情感知。（证券日报）[2021/3/26 19:19:11]

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。

掌柜调查署｜节点资本创始合伙人杜均：单纯从技术角度来看，并没有看到IPFS技术的突破:在今日举行的掌柜调查署中，针对“IPFS和Filecoin有哪些重大创新，为什么大家如此关注“的问题，节点资本创始合伙人杜均表示，个人认为，无论是比特币为代表的区块链1.0，还是以太坊为代表的区块链2.0，以及现在我们大热的IPFS（激励层Filecoin），都是一群“技术中立”信仰者构建的理想国，希望通过“CODE IS LAW”促进社会变得更公平更美好。单纯从技术角度来看，我并没有看到技术的突破，我更多看到的是利用区块链思维对传统互联网访问协议以及分布式存储的升级。大家关注的点不一样，只有极少数人关注到IPFS的技术创新，更多的人关注的是如何赚钱。更多详情见原文链接。[2020/7/4]

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。

分析师：从技术上讲比特币可能需要数月才能修复:Fundstrat Global Advisors LLC的技术策略师Rob Sluymer表示，比特币已经跌破了2015年至2020年的上升趋势，其价格走势“严重受损”。就目前而言，从技术上讲，比特币可能需要数月才能修复。（彭博社）[2020/3/20]

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：

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：

原中央国家机关工委信息中心主任徐成涛：区块链的核心意义在于第一次能够从技术层面建立信任关系:中新网北京4月27日电 区块链与产业互联网融合应用60人论坛26日晚在北京落幕。原中央国家机关工委信息中心主任徐成涛认为，区块链的核心意义在于，人类有史以来第一次能够从技术层面建立信任关系。“相信区块链能推动我国的电子政务事业更上一层楼，期待越来越多的政务区块链应用案例在我国落地生根，为数字中国、智慧社会建设做出积极的贡献。”[2018/4/27]

“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.”

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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