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作者： 0xKira
前言
在密碼學和區塊鏈不斷發展的格局中，幾乎沒有哪項創新能像零知識（ZK）證明這樣引發如此巨大的關注。零知識證明曾經只是計算機科學理論論文中晦澀難懂的學術概念，如今已迅速從紙上談兵走向主網，成為下一代加密基礎設施的基石。
零知識證明的核心在於挑戰數字系統中一個長期存在的假設：驗證需要暴露信息。無論是登錄應用程式、驗證身份還是確認交易，我們過去總是需要披露某些信息才能獲得信任。零知識證明技術打破了這種權衡，使我們能夠在不洩露底層信息的情況下，證明關於身份、數據或計算的事實。
除了隱私保護之外，零知識證明還能在全球範圍內實現可擴展性、互操作性和無需信任的驗證。從擴展區塊鏈吞吐量的 ZK rollup，到保護隱私的身份和合規系統，零知識證明正在重新定義加密領域的可能性。
概要
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零知識（ZK）證明能夠在不透露底層數據的情況下驗證身份、餘額或交易有效性等信息。
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儘管零知識證明技術最早於 20 世紀 80 年代提出，但由於計算、密碼學和區塊鏈技術的進步，直到最近才變得實用。
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ZK 證明為私有交易、去中心化身份、DAO 投票和跨鏈互操作性提供支持，同時通過 ZK Rollup 將數千筆交易打包成單個證明，從而擴展以太坊的規模。
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儘管計算量較大，但 ZK rollup 算法具有即時最終性、更低的費用和更強的安全性，使其領先於 Optimistic 類方案。
什麼是零知識證明？
零知識（ZK）證明是一種密碼學方法，它使一方（證明者）能夠向另一方（驗證者）證明某個陳述為真，而無需透露該陳述為何為真或任何額外信息。
例如，愛麗絲想向鮑勃證明她知道山洞裡一扇隱藏門的密碼，但她又不能直接告訴他密碼。她進入山洞，打開門，然後從另一邊出現。鮑勃看不到她是怎麼做到的，但他知道她肯定知道密碼。
零知識證明的經典比喻 —— Chainlink
傳統上，驗證需要披露一些信息：例如身份信息、密碼或數據。零知識證明顛覆了這種模式，無需暴露數據本身即可證明身份、真實性或所有權。
在數字系統中，這意味著你可以：
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在無需透露出生日期即可證明自己已年滿 18 周歲。
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在不透露錢包餘額的情況下證明資金充足
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在不洩露交易內容的情況下證明交易的有效性
這種「不洩露信息即可證明」的能力是保持隱私、安全和透明的系統的基礎，而零知識證明恰好能同時兼顧這兩個特點。
它們是如何運作的？
零知識證明依賴於深奧的數學結構和密碼學原語，但從概念上講，它們可以歸結為三個基本屬性：
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完整性（Completeness） ：如果該陳述為真，誠實的證明者能夠說服驗證者它為真。
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可靠性（Soundness） ：如果陳述是錯誤的，任何作弊的證明者都無法說服驗證者使其相信該陳述是錯誤的。
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零知識（Zero-Knowledge） ：驗證者除了知道該陳述為真之外，不會獲知任何其他信息。
實際上，零知識證明有好幾種類型，但目前討論的焦點主要集中在兩種類型上：交互式和非交互式零知識證明。
在早期設計中，零知識證明是交互式的。證明者和驗證者進行雙向對話，驗證者提出隨機挑戰，證明者則提供證明作為回應，共同構建對某個陳述真實性的信心。雖然這種模型在理論上行之有效，但在區塊鏈環境中，各方往往難以實時互動，因此效率並不高。
為了使其更具實用性，密碼學家開發了非交互式零知識證明（NIZK），這種證明只需要證明者向驗證者發送一條消息即可完成。其中最著名的是 zk-SNARKs，它能夠生成極其緊湊的證明，並在毫秒內完成驗證。另一個變體是 zk-STARKs，它無需可信設置，並提供後量子安全級別。
zk-SNARKs 的工作原理 —— Midnight Network
本質上，這些系統允許證明者生成有效計算的數學「指紋」。驗證者隨後可以檢查該指紋，而無需重新進行整個計算。這正是它們在區塊鏈擴展中如此強大的原因：只需檢查單個加密證明，即可快速且低成本地驗證數千筆交易。
零知識證明什麼時候被發明的？
零知識證明可以追溯到 20 世紀 80 年代中期，當時研究人員 Shafi Goldwasser、Silvio Micali 和 Charles Rackoff 在他們的開創性論文《交互式證明系統的知識複雜性》（「The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems」）（1985 年）中引入了這一概念。
他們早期的理論模型為隨後幾十年的密碼學創新奠定了基礎，但直到 2010 年代，由於計算效率的提高和區塊鏈技術的興起，零知識證明才變得實用。
Zcash 等項目於 2016 年推出，是最早大規模部署零知識證明的項目之一，它們使用 zk-SNARKs 在公共帳本上實現私有交易。此後，零知識證明技術取得了顯著發展，效率更高，證明生成速度更快，並且出現了新的框架（例如 zk-STARKs、Halo 和 PLONK），使其更易於開發者使用，也更適合實際系統擴展。
零知識證明在加密領域的應用有哪些？
最直觀、最廣為人知的應用場景是隱私保護交易。零知識證明允許用戶在公共區塊鏈上進行交易，而無需暴露交易金額或交易對手等敏感信息。Zcash 是該技術的先驅，它引入了「屏蔽交易」（shielded transactions）機制，在保護用戶隱私的同時，還能維護鏈上可驗證的完整性。在此基礎上，Tornado Cash、Aztec 和 Railgun 等項目已將零知識證明技術擴展到以太坊，從而實現了私密的智能合約交互和保密的 DeFi 交易。
Tornado Cash 的工作原理 – Elliptic
除隱私保護之外，零知識證明正在革新數字身份和監管合規領域。它支持選擇性披露，使用戶能夠在不洩露個人數據的情況下證明自身特定事實。例如，用戶可以在不透露姓名的情況下證明自己已通過 KYC 驗證，或者在不提供身份信息的情況下確認自己不在制裁名單上。這一原則是 Worldcoin 的人格證明、Polygon ID 和 zkPass 等新興零知識身份系統的基礎。
Polygon ID：一種支持零知識證明的身份系統 – Polygon
零知識證明在投票和治理方面也具有強大的應用價值。在去中心化自治組織（DAO）中，它們可以促進匿名但可驗證的投票過程，確保結果透明，同時保護個人投票者的身份隱私。這有助於降低脅迫或報復的風險，鼓勵更誠實地參與集體決策，從而強化去中心化治理的民主原則。
零知識證明的另一個優勢體現在跨鏈驗證領域。在多鏈環境中，傳統上，在不同的區塊鏈之間建立信任需要中間機構或複雜的橋接機制。零知識證明提供了一種更優雅的解決方案：一條鏈上生成的證明可以證明其狀態的有效性，而另一條鏈可以獨立驗證該證明。這實現了無需信任的互操作性，使不同的區塊鏈能夠在不依賴中心化驗證器的情況下進行安全通信。
ZK 技術也正通過 ZK Rollup 來提升以太坊的可擴展性。通過將數千筆交易打包成一個單一的加密證明，這些 Rollup 在確保安全性的同時，顯著降低了鏈上數據負載。其結果是交易處理速度更快、成本更低、效率更高，為以太坊在不損害其去中心化特性的前提下應對大規模應用奠定了基礎。
ZK Rollup 詳解
在所有基於零知識證明的應用中，ZK rollup 無疑是最具變革性的。它們解決了加密貨幣領域最大的挑戰之一：區塊鏈的可擴展性。
自區塊鏈技術誕生之初，所有區塊鏈都面臨著區塊鏈三難困境：即所有區塊鏈只能在安全性、可擴展性和去中心化這三大核心屬性中實現兩項。像以太坊這樣的區塊鏈雖然安全且去中心化，但速度仍然很慢，而且費用昂貴。每筆交易都必須經過所有節點的驗證，這造成了瓶頸，限制了吞吐量，推高了 gas 費用，嚴重降低了區塊鏈的可用性。
Rollup 是一種 Layer-2 解決方案，它在鏈下執行交易，然後將匯總信息發布回主鏈或 Layer-1（通常是以太坊）。Rollup 主要分為兩種類型： Optimistic rollup 和 ZK rollup。
在 ZK Rollup 中，成百上千筆鏈下交易被打包在一起。證明者生成一個零知識證明（也稱為有效性證明），表明所有打包的交易都符合區塊鏈的規則。然後，該單一證明被提交到主鏈，主鏈可以快速且確鑿地驗證它。
ZK Rollup 的工作原理 – Messari
這種設計大幅減少了 Layer-1 的數據量和計算負擔，同時保持了與單獨處理每筆交易相同的安全保證，從而消除了 Layer-1 的速度和規模瓶頸。
一些 ZK rollup 的代表項目包括：
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zkSync Era ：由 Matter Labs 開發，使用 zk-SNARKs 實現快速最終性。
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StarkNet ：基於 zk-STARKs 構建，強調可擴展性和透明性
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Polygon zkEVM ：以太坊虛擬機 (EVM)的零知識實現，使其能夠與以太坊上現有的智能合約完全兼容。
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Lighter ：一個基於自定義 ZK rollup 構建的永續 DEX 平臺，使用 zk-SNARKs，具體來說是 Plonky2。
ZK Rollup 的優勢
通過將數千筆交易壓縮成單個密碼學證明，ZK rollups 可以顯著提高吞吐量，使以太坊等區塊鏈能夠在不犧牲去中心化或安全性的情況下處理更多的活動。
安全性是另一項關鍵優勢。與依賴經濟激勵和為期一周的挑戰期來檢測欺詐的 Optimistic rollup 不同，ZK rollup 使用數學有效性證明來預先保證正確性。一旦鏈上驗證了證明，底層交易即為最終且不可篡改，從而消除了延遲和不確定性。
這也意味著更快的確認速度。ZK rollup 中的交易會在其對應的證明被驗證後立即結算，與 Optimistic 系統中常見的等待時間相比，用戶幾乎可以即時獲得最終結果。
成本效益是另一項主要優勢。由於 ZK Rollups 僅向 Layer-1 區塊鏈提交極少量的數據，因此 Gas 費用顯著降低，使得用戶和應用程式在以太坊上運行的成本更低。
更令人振奮的是，ZK rollup 為增強隱私保護打開了大門。由於其本身建立在零知識密碼學之上，理論上可以將機密性直接嵌入到 rollup 本身，從而實現大規模的私密且可驗證的交易。
目前的主要限制在於計算需求。生成零知識證明仍然需要消耗大量資源，需要強大的硬體和先進的密碼學技術。然而，持續的進步，尤其是在硬體加速、電路設計和遞歸證明方面的進展，正在穩步降低這些成本，使得每一代 ZK rollup 的效率都更高。
與 Optimistic Rollup 的對比
Optimistic rollup，例如 Arbitrum 和 Optimism，則遵循不同的理念。它們默認所有鏈下交易都是有效的。只有當有人質疑這一假設時，系統才會要求提供「欺詐證明」來驗證爭議，這個過程通常需要一周左右。這種模型在實踐中運行良好，但會造成交易最終確認的延遲，並且依賴於激勵機制來促使參與者發現並舉報無效活動。
而 ZK rollup 為每一批交易附帶一個零知識有效性證明，在寫入主鏈之前就用數學方式確認其正確性，從而提供即時最終性和更強的安全保障，但同時也帶來了更高的技術複雜性和更大的計算量。
本質上，這兩種模型代表了不同的權衡取捨。Optimistic Rollup 更容易實現，並且由於其簡單性和與以太坊虛擬機 (EVM) 的完全兼容性，目前在以太坊的 Layer-2 領域佔據主導地位。ZK rollup 更複雜，計算量更大，但它提供了更快的結算速度、更低的成本以及內置隱私的潛力。
結論
零知識證明代表著我們對數字系統中信任、隱私和驗證方式的範式轉變。這項起源於 20 世紀 80 年代的抽象密碼學理論，如今已成為推動下一代去中心化基礎設施發展的最有前景的技術之一。
在加密貨幣領域，零知識證明為私有交易、去中心化身份、跨鏈互操作性以及最重要的可擴展 rollup 架構提供支持，這些架構在保持以太坊級別安全性的同時，還能成倍提升吞吐量。它們的應用範圍也超越了區塊鏈，擴展到金融、人工智慧和數據驗證等領域。
儘管零知識證明的應用仍處於相對早期階段，但其發展軌跡已然清晰。零知識證明正從密碼學領域的新奇技術轉變為基礎設施建設的必然組成部分。如果區塊鏈要在保障隱私和去中心化的同時擴展到數十億用戶規模，那麼零知識證明很可能就是開啟這一未來的關鍵。
