zk-SNARKs/STARKs详解：隐私保护技术指南

隐私一直是加密货币领域一项宝贵的特性，它是可替代性的前提，而可替代性对于一种广泛使用的货币来说是必要的。大多数加密资产持有者也不希望他们的持仓和交易记录完全公开。在旨在为区块链提供隐私的各种密码学技术中，zk-SNARK 和 zk-STARK 证明是两个值得注意的例子。

zk-SNARK 代表零知识简洁非交互式知识证明，zk-STARK 代表零知识简洁透明知识证明。zk-SNARK 证明被加密货币项目（如 Zcash）使用，用于基于区块链的支付系统，以及作为安全地将客户端认证到服务器的一种方式。但尽管 zk-SNARKs 已经取得了显著进展，并得到了广泛的采用，zk-STARK 证明现在却被吹捧为该协议的改进版本，解决了 zk-SNARKs 以前许多缺点。

阿里巴巴的山洞比喻

1990 年，密码学家 Jean-Jacques Quisquater（以及其他合作者）发表了一篇题为“如何向你的孩子解释零知识协议”的论文。这篇论文用一个关于阿里巴巴山洞的比喻介绍了零知识证明的概念。自从它被创造以来，这个比喻已经被改编过很多次，现在我们有多种变体。尽管如此，其根本信息基本相同。

想象一下一个环形山洞，只有一个入口和一个将两条侧路径分开的魔法门。为了穿过魔法门，需要低声说出正确的秘密词语。假设爱丽丝（黄色）想向鲍勃（蓝色）证明她知道秘密词语是什么——同时仍然保密。为此，鲍勃同意在她进入山洞并走到其中一条路径的尽头时在外面等待。在这个例子中，她决定走路径 1。

过了一会儿，鲍勃走到入口处，喊出他想要爱丽丝从哪条路径出现（在本例中是路径 2）。

如果爱丽丝真的知道秘密，她将可靠地从鲍勃指定的路径出现。

整个过程可以重复多次，以确认爱丽丝不是靠运气选择正确的路径。

阿里巴巴的山洞比喻说明了零知识证明的概念，它是 zk-SNARK 和 zk-STARK 协议的一部分。零知识证明可以用来证明拥有某种知识，而无需透露任何关于它的信息。参与的双方通常被称为证明者和验证者，他们秘密持有的陈述称为见证。这些证明的主要目标是在双方之间尽可能少地透露数据。换句话说，可以使用零知识证明来证明他们拥有某种知识，而无需透露任何关于该知识本身的信息。

在 SNARK 首字母缩写中，“简洁”意味着这些证明体积较小，可以快速验证。“非交互式”意味着证明者和验证者之间几乎没有交互。旧版本的零知识协议通常需要证明者和验证者来回通信，因此被认为是“交互式”零知识证明。但在“非交互式”结构中，证明者和验证者只需要交换一个证明。

目前，zk-SNARK 证明依赖于证明者和验证者之间的初始可信设置，这意味着需要一组公共参数来构建零知识证明，从而进行私有交易。这些参数就像游戏规则一样；它们被编码到协议中，并且是证明交易有效的必要因素之一。然而，这会造成潜在的中心化问题，因为这些参数通常是由非常小的一组人制定的。

虽然初始可信设置对于当今的 zk-SNARK 实现至关重要，但研究人员正在努力寻找其他替代方案，以减少过程中所需的信任量。初始设置阶段对于防止伪造支出非常重要，因为如果有人能够访问生成参数的随机性，他们就可以创建对验证者来说似乎有效的虚假证明。在 Zcash 中，初始设置阶段被称为参数生成仪式。

接下来是首字母缩写中的“知识证明”部分。zk-SNARK 被认为是计算上健全的，这意味着不诚实的证明者在没有实际拥有支持其陈述的知识（或见证）的情况下成功作弊的可能性非常低。此属性称为健全性，并假设证明者具有有限的计算能力。

理论上，拥有足够计算能力的证明者可以创建虚假证明，这也是许多人认为量子计算机对 zk-SNARK（以及区块链系统）构成威胁的原因之一。

零知识证明可以快速验证，并且通常比标准比特币交易占用更少的数据。这为 zk-SNARK 技术作为隐私和可扩展性解决方案铺平了道路。

zk-STARKs

zk-STARKs 由以色列理工学院教授 Eli-Ben Sasson 创建。作为 zk-SNARK 证明的替代版本，zk-STARK 通常被认为是该技术的更高效的变体——根据实现情况，它可能更快、更便宜。但更重要的是，zk-STARK 不需要初始可信设置（因此，“T”代表透明）。

从技术上讲，zk-STARK 不需要初始可信设置，因为它们依赖于通过抗碰撞哈希函数进行更精简的加密。这种方法还消除了 zk-SNARK 的数论假设，这些假设计算成本高昂，理论上容易受到量子计算机的攻击。

换句话说，zk-STARK 证明在密码学假设方面呈现出更简单的结构。然而，这项新技术至少有一个主要缺点：与 zk-SNARK 相比，证明的大小更大。这种数据大小的差异可能会根据使用环境而带来限制，但这可能是随着技术的进一步测试和研究而可以解决的问题。

结束语

很明显，zk-SNARK 和 zk-STARK 都能满足人们日益增长的对隐私的关注。在加密货币世界中，这些协议具有巨大的潜力，并且可能是迈向主流采用的突破性途径。