Sự phát triển và triển vọng ứng dụng của zk-SNARK

Lịch sử phát triển của zk-SNARK

Quá trình hiện đại hóa hệ thống chứng minh không biết được bắt đầu từ năm 1985. Goldwasser, Micali và Rackoff đã lần đầu tiên đề xuất khái niệm chứng minh không biết trong các hệ thống tương tác trong bài báo của họ. Lý thuyết này chủ yếu khám phá cách chứng minh tính đúng đắn của một tuyên bố với việc trao đổi thông tin tối thiểu trong quá trình tương tác. Mặc dù phương pháp này về mặt xác suất là đúng, nhưng vẫn còn một số hạn chế.

Sau đó, sự phát triển của hệ thống không tương tác đã làm cho zk-SNARK trở nên hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, các hệ thống zk-SNARK sớm vẫn còn thiếu sót về tính thực tiễn, chủ yếu dừng lại ở cấp độ lý thuyết. Chỉ đến gần đây, với sự trỗi dậy của mật mã trong lĩnh vực tiền điện tử, zk-SNARK mới thực sự bước ra ánh sáng, trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng.

Một bước đột phá quan trọng của zk-SNARK xuất hiện vào năm 2010. Bài báo của Groth đã đặt nền tảng lý thuyết cho zk-SNARK nổi tiếng sau này. Năm 2015, dự án Z-cash đã áp dụng zk-SNARK vào việc bảo vệ quyền riêng tư giao dịch, khởi xướng sự kết hợp giữa zk-SNARK và hợp đồng thông minh, mở rộng đáng kể các trường hợp ứng dụng của nó.

Trong thời gian này, một số thành tựu học thuật quan trọng bao gồm:

• Giao thức Pinocchio năm 2013, nó đã nâng cao hiệu quả của việc chứng minh và xác thực một cách đáng kể.
• Thuật toán Groth16 năm 2016, đã tinh gọn thêm quy mô chứng minh và nâng cao hiệu quả xác minh.
• Thuật toán Bulletproofs được đề xuất vào năm 2017, đã thực hiện chứng minh không kiến thức phi tương tác nhanh chóng.
• Việc đề xuất ZK-STARKs vào năm 2018 đã mở ra một hướng đi mới không cần thiết lập tin cậy.

Ngoài ra, các giao thức mới nổi như PLONK, Halo2 cũng đã mang lại những cải tiến quan trọng cho zk-SNARK.

Ứng dụng chính của zk-SNARK

zk-SNARK hiện đang được áp dụng chủ yếu trong hai lĩnh vực là bảo vệ quyền riêng tư và mở rộng.

Về vấn đề bảo vệ quyền riêng tư, các dự án như Zcash và Monero đã gây được sự chú ý rộng rãi trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, nhu cầu thực tế về giao dịch riêng tư không đạt được như mong đợi, và những dự án này dần dần biến mất khỏi tầm nhìn chính thống.

So với trước, nhu cầu mở rộng ngày càng cấp thiết. Đặc biệt kể từ khi Ethereum chuyển sang lộ trình mở rộng tập trung vào rollup vào năm 2020, các giải pháp mở rộng dựa trên zk-SNARK lại trở thành tâm điểm của ngành.

Ứng dụng giao dịch riêng tư

Các dự án giao dịch riêng tư đã được triển khai bao gồm:

• Zcash và Tornado sử dụng công nghệ zk-SNARK
• Sử dụng Monero của Bulletproof

Lấy Zcash làm ví dụ, quy trình giao dịch zk-SNARKs của nó bao gồm các bước như thiết lập hệ thống, tạo khóa, đúc tiền, chuyển khoản, xác minh và nhận. Tuy nhiên, Zcash cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như khó tích hợp với các ứng dụng khác, và tỷ lệ sử dụng giao dịch bảo mật thực sự không cao.

So với Tornado, thiết kế của nó với một bể tiền lớn duy nhất có tính linh hoạt cao hơn và hoạt động trên mạng Ethereum. Tornado Cash có khả năng đảm bảo rằng chỉ những token đã gửi vào mới có thể được rút ra, và mỗi token chỉ có thể được rút một lần, đồng thời đảm bảo độ an toàn cao.

Điều đáng chú ý là, các chuyên gia trong ngành cho rằng, so với việc mở rộng, việc thực hiện công nghệ bảo vệ quyền riêng tư tương đối đơn giản. Nếu kế hoạch mở rộng thành công, việc bảo vệ quyền riêng tư cũng sẽ không còn là một vấn đề.

mở rộng ứng dụng

Việc ứng dụng zk-SNARK trong mở rộng có thể được chia thành mạng lớp một ( như Mina ) và mạng lớp hai ( tức là zk-rollup ). Khái niệm zk-rollup có thể xuất phát từ một bài viết của Vitalik vào năm 2018.

zk-rollup chủ yếu bao gồm hai loại vai trò: Sequencer chịu trách nhiệm đóng gói giao dịch, Aggregator chịu trách nhiệm hợp nhất giao dịch và tạo ra zk-SNARK. Bằng chứng này sẽ được so sánh với trạng thái của mạng lớp một, từ đó cập nhật cây trạng thái của Ethereum.

Lợi thế của zk-rollup nằm ở chi phí thấp, tính cuối cùng nhanh chóng và bảo vệ quyền riêng tư, nhưng cũng gặp phải thách thức về khối lượng tính toán lớn và cần thiết lập đáng tin cậy.

Hiện tại, các dự án zk-rollup có sức cạnh tranh trên thị trường bao gồm StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez và Miden, Loopring, Scroll, v.v. Các dự án này chủ yếu lựa chọn giữa SNARK( và các phiên bản cải tiến của nó ) và STARK, đồng thời chú trọng đến mức độ hỗ trợ cho EVM.

Cần lưu ý rằng, tính tương thích của hệ thống zk-SNARK với EVM luôn là một thách thức. Các dự án thường phải cân nhắc giữa hai bên, hoặc thiết kế máy ảo mới để đạt được tính tương thích. Trong những năm gần đây, sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ đã nâng cao đáng kể tính tương thích của EVM, điều này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến hệ sinh thái phát triển và cấu trúc cạnh tranh của zk-SNARK.

Nguyên lý cơ bản của zk-SNARK

zk-SNARK cần phải đáp ứng ba đặc tính: tính toàn vẹn, độ tin cậy và tính không biết. zk-SNARK( bằng chứng kiến thức ngắn gọn không tương tác ) là một trong những giải pháp chứng minh không biết được áp dụng rộng rãi hiện nay.

Quá trình chứng minh của zk-SNARK chủ yếu bao gồm các bước sau:

1. Chuyển đổi vấn đề thành mạch điện
2. Chuyển đổi mạch thành dạng R1CS
3. Chuyển đổi R1CS sang dạng QAP
4. Thiết lập cấu hình đáng tin cậy, tạo khóa chứng minh và khóa xác minh
5. Tạo và xác minh chứng zk-SNARK

Quá trình này đảm bảo tính chất không biết của chứng minh, tính ngắn gọn và tính không tương tác, đồng thời đảm bảo tính đáng tin cậy và kiến thức của phép tính.