Wissensfreie Beweise: Wie transformativ können sie sein?

Autor:0xKira

Vorwort

In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Kryptographie und Blockchain haben nur wenige Innovationen so viel Aufmerksamkeit erregt wie Zero-Knowledge-Beweise (ZK). Einst ein obskures akademisches Konzept in theoretischen Arbeiten zur Informatik, haben sich wissensfreie Beweise schnell vom Papier ins Mainnet verlagert und sind zum Grundstein der nächsten Generation der kryptografischen Infrastruktur geworden.

Im Kern stellen wissensfreie Beweise eine seit langem in digitalen Systemen bestehende Annahme in Frage: dass die Verifizierung die Offenlegung von Informationen erfordert.Ob es darum geht, sich bei einer App anzumelden, die Identität zu überprüfen oder eine Transaktion zu bestätigen – wir mussten schon immer bestimmte Informationen preisgeben, um Vertrauen zu gewinnen.Die wissensfreie Proof-Technologie durchbricht diesen Kompromiss und ermöglicht es uns, Fakten über Identitäten, Daten oder Berechnungen zu beweisen, ohne zugrunde liegende Informationen preiszugeben.

Zusätzlich zum Schutz der Privatsphäre ermöglichen wissensfreie Beweise Skalierbarkeit, Interoperabilität und vertrauenswürdige Verifizierung auf globaler Ebene.Von ZK-Rollups, die den Blockchain-Durchsatz skalieren, bis hin zu Identitäts- und Compliance-Systemen, die die Privatsphäre wahren, definieren wissensfreie Beweise neu, was in der Kryptowelt möglich ist.

Zusammenfassung

• Mit Zero-Knowledge-Beweisen (ZK) können Informationen wie Identität, Kontostand oder Transaktionsgültigkeit überprüft werden, ohne die zugrunde liegenden Daten preiszugeben.

• Obwohl die Zero-Knowledge-Proof-Technologie erstmals in den 1980er Jahren vorgeschlagen wurde, ist sie aufgrund der Fortschritte in der Computer-, Kryptographie- und Blockchain-Technologie erst vor kurzem in die Praxis umgesetzt worden.

• ZK Proofs unterstützen private Transaktionen, dezentrale Identität, DAO-Abstimmung und kettenübergreifende Interoperabilität und skalieren gleichzeitig Ethereum, indem sie über ZK Rollup Tausende von Transaktionen in einem einzigen Beweis zusammenfassen.

• Obwohl er rechenintensiv ist, verfügt der ZK-Rollup-Algorithmus über sofortige Endgültigkeit, niedrigere Gebühren und höhere Sicherheit und ist damit den optimistischen Schemata voraus.

Was ist ein wissensfreier Beweis?

Der wissensfreie Beweis (ZK) ist eine kryptografische Methode, die es einer Partei (dem Beweiser) ermöglicht, einer anderen Partei (dem Verifizierer) zu beweisen, dass eine bestimmte Aussage wahr ist, ohne preiszugeben, warum die Aussage wahr ist, oder weitere Informationen preiszugeben.

Zum Beispiel möchte Alice Bob beweisen, dass sie das Passwort zu einer versteckten Tür in einer Höhle kennt, kann ihm das Passwort jedoch nicht direkt sagen.Sie betritt die Höhle, öffnet die Tür und kommt auf der anderen Seite wieder heraus.Bob konnte nicht sehen, wie sie es tat, aber er wusste, dass sie das Passwort gekannt haben musste.

Die klassische Metapher des wissensfreien Beweises – Chainlink

Traditionell erfordert die Verifizierung die Offenlegung einiger Informationen: etwa Identitätsinformationen, Passwörter oder Daten.Wissensfreie Beweise stellen dieses Modell auf den Kopf und beweisen Identität, Authentizität oder Eigentum, ohne die Daten selbst preiszugeben.

In einem digitalen System bedeutet das, dass Sie:

• Sie können nachweisen, dass Sie 18 Jahre oder älter sind, ohne Ihr Geburtsdatum preiszugeben.

• Weisen Sie ausreichende Mittel nach, ohne den Kontostand preiszugeben

• Beweisen Sie die Gültigkeit der Transaktion, ohne den Inhalt der Transaktion preiszugeben

Diese Fähigkeit, „zu beweisen, ohne Informationen preiszugeben“, ist die Grundlage eines Systems, das Privatsphäre, Sicherheit und Transparenz gewährleistet, und wissensfreie Beweise können diese beiden Eigenschaften nutzen.

Wie funktionieren sie?

Zero-Knowledge-Beweise basieren auf esoterischen mathematischen Strukturen und kryptografischen Primitiven, aber konzeptionell beschränken sie sich auf drei grundlegende Eigenschaften:

1. Vollständigkeit: Wenn die Aussage wahr ist, kann ein ehrlicher Prüfer den Prüfer davon überzeugen, dass sie wahr ist.

2. Solidität: Wenn eine Aussage falsch ist, kann kein betrügerischer Prüfer den Prüfer davon überzeugen, dass die Aussage falsch ist.

3. Null-Wissen: Der Prüfer erfährt nichts anderes, als dass die Aussage wahr ist.

Tatsächlich gibt es mehrere Arten von Zero-Knowledge-Beweisen, die aktuelle Diskussion konzentriert sich jedoch auf zwei Arten: interaktive und nicht-interaktive Zero-Knowledge-Beweise.

In frühen Entwürfen waren wissensfreie Beweise interaktiv.Prüfer und Prüfer führen ein wechselseitiges Gespräch, wobei der Prüfer zufällige Herausforderungen stellt und der Prüfer als Antwort Beweise liefert, um gemeinsam Vertrauen in die Wahrheit einer Aussage aufzubauen.Obwohl dieses Modell theoretisch funktioniert, ist es in einer Blockchain-Umgebung für alle Parteien oft schwierig, in Echtzeit zu interagieren, sodass es nicht sehr effizient ist.

Um es praktischer zu machen, haben Kryptographen nicht-interaktive Zero-Knowledge-Proofs (NIZK) entwickelt, bei denen der Prüfer lediglich eine Nachricht an den Prüfer senden muss.Die bekanntesten davon sind zk-SNARKs, die in der Lage sind, äußerst kompakte Beweise zu generieren und diese in Millisekunden zu verifizieren.Eine weitere Variante ist zk-STARKs, das keine vertrauenswürdige Einrichtung erfordert und ein Maß an Post-Quantum-Sicherheit bietet.

So funktionieren zk-SNARKs – Midnight Network

Im Wesentlichen ermöglichen diese Systeme Prüfern die Erstellung mathematischer „Fingerabdrücke“ effizienter Berechnungen. Der Prüfer kann dann diesen Fingerabdruck überprüfen, ohne die gesamte Berechnung erneut durchführen zu müssen.Genau aus diesem Grund sind sie bei der Blockchain-Skalierung so leistungsstark: Tausende von Transaktionen können schnell und kostengünstig verifiziert werden, indem einfach ein einziger kryptografischer Beweis überprüft wird.

Wann wurden wissensfreie Beweise erfunden?

Zero-Knowledge-Beweise stammen aus der Mitte der 1980er Jahre, als die Forscher Shafi Goldwasser, Silvio Micali und Charles Rackoff das Konzept in ihrer bahnbrechenden Arbeit „The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems“ (1985) vorstellten.

Ihre frühen theoretischen Modelle legten den Grundstein für die folgenden Jahrzehnte kryptografischer Innovationen, aber erst in den 2010er Jahren wurden wissensfreie Beweise dank Verbesserungen der Recheneffizienz und dem Aufkommen der Blockchain-Technologie praktisch.

Projekte wie Zcash, das 2016 gestartet wurde und eines der ersten war, das wissensfreie Beweise in großem Maßstab einsetzte, nutzen zk-SNARKs, um private Transaktionen in einem öffentlichen Hauptbuch zu ermöglichen.Seitdem hat sich die Zero-Knowledge-Proof-Technologie erheblich weiterentwickelt, wodurch die Generierung von Beweisen effizienter und schneller wird. Außerdem sind neue Frameworks entstanden (wie zk-STARKs, Halo und PLONK), die die Verwendung für Entwickler einfacher und besser für die Skalierung realer Systeme geeignet machen.

Welche Anwendungen gibt es für wissensfreie Beweise im Bereich der Verschlüsselung?

Das intuitivste und bekannteste Anwendungsszenario sind datenschutzwahrende Transaktionen.Mithilfe wissensfreier Beweise können Benutzer Transaktionen auf einer öffentlichen Blockchain durchführen, ohne vertrauliche Informationen wie Transaktionsbeträge oder Gegenparteien preiszugeben.Zcash ist ein Pionier dieser Technologie und führt einen Mechanismus für „abgeschirmte Transaktionen“ ein, um die Privatsphäre der Benutzer zu schützen und gleichzeitig eine überprüfbare Integrität in der Kette aufrechtzuerhalten.Aufbauend auf dieser Grundlage haben Projekte wie Tornado Cash, Aztec und Railgun die wissensfreie Technologie auf Ethereum ausgeweitet und so private Smart-Contract-Interaktionen und vertrauliche DeFi-Transaktionen ermöglicht.

So funktioniert Tornado Cash – Elliptisch

Neben dem Schutz der Privatsphäre revolutionieren Zero-Knowledge-Proofs die Welt der digitalen Identität und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Es unterstützt die selektive Offenlegung und ermöglicht es Benutzern, ihre spezifischen Fakten nachzuweisen, ohne persönliche Daten preiszugeben.Nutzer können beispielsweise nachweisen, dass sie die KYC-Prüfung bestanden haben, ohne ihren Namen preiszugeben, oder bestätigen, dass sie nicht auf einer Sanktionsliste stehen, ohne personenbezogene Daten anzugeben.Dieses Prinzip liegt neuen wissensfreien Identitätssystemen wie dem Proof of Personhood von Worldcoin, Polygon ID und zkPass zugrunde.

Polygon ID: Ein Identitätssystem, das wissensfreie Beweise unterstützt – Polygon

Wissensfreie Beweise haben auch leistungsstarke Anwendungen bei Abstimmungen und Governance. In dezentralen autonomen Organisationen (DAOs) können sie einen anonymen, aber überprüfbaren Abstimmungsprozess ermöglichen und so transparente Ergebnisse gewährleisten und gleichzeitig die Identitätsprivatsphäre einzelner Wähler schützen.Dies trägt dazu bei, das Risiko von Zwang oder Vergeltung zu verringern und fördert eine ehrlichere Beteiligung an kollektiven Entscheidungsprozessen, wodurch die demokratischen Grundsätze der dezentralen Regierungsführung gestärkt werden.

Ein weiterer Vorteil des Zero-Knowledge-Proofs liegt im Bereich der Cross-Chain-Verifizierung.In einer Multi-Chain-Umgebung waren für den Aufbau von Vertrauen zwischen verschiedenen Blockchains traditionell Vermittler oder komplexe Überbrückungsmechanismen erforderlich.Wissensfreie Beweise bieten eine elegantere Lösung: Ein in einer Kette generierter Beweis kann die Gültigkeit seines Zustands beweisen, und die andere Kette kann den Beweis unabhängig überprüfen.Dies ermöglicht eine vertrauenswürdige Interoperabilität, sodass verschiedene Blockchains sicher kommunizieren können, ohne auf zentralisierte Validatoren angewiesen zu sein.

Die ZK-Technologie verbessert auch die Skalierbarkeit von Ethereum durch ZK Rollup.Durch die Bündelung Tausender Transaktionen in einem einzigen kryptografischen Beweis reduzieren diese Rollups die Datenlast in der Kette erheblich und gewährleisten gleichzeitig die Sicherheit.Das Ergebnis ist eine schnellere, kostengünstigere und effizientere Transaktionsverarbeitung, die den Grundstein dafür legt, dass Ethereum große Anwendungen bewältigen kann, ohne seinen dezentralen Charakter zu beeinträchtigen.

Ausführliche Erklärung zum ZK-Rollup

Von allen Anwendungen, die auf wissensfreien Beweisen basieren, ist ZK Rollup zweifellos die transformativste.Sie lösen eine der größten Herausforderungen in der Kryptowährung: die Skalierbarkeit der Blockchain.

Seit der Geburt der Blockchain-Technologie stehen alle Blockchains vor dem Blockchain-Trilemma: Das heißt, alle Blockchains können nur zwei der drei Kernattribute Sicherheit, Skalierbarkeit und Dezentralisierung erreichen. Blockchains wie Ethereum sind zwar sicher und dezentral, aber immer noch langsam und teuer.Jede Transaktion muss von allen Knoten verifiziert werden, was zu Engpässen führt, den Durchsatz begrenzt, die Gasgebühren in die Höhe treibt und die Verfügbarkeit der Blockchain erheblich verringert.

Rollup ist eine Layer-2-Lösung, die Transaktionen außerhalb der Kette ausführt und dann aggregierte Informationen zurück an die Hauptkette oder Layer-1 (normalerweise Ethereum) veröffentlicht.Rollup wird hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Optimistisches Rollup und ZK-Rollup.

Im ZK Rollup werden Hunderte oder Tausende von Off-Chain-Transaktionen zusammengefasst.Der Prüfer generiert einen wissensfreien Beweis (auch Gültigkeitsnachweis genannt), der angibt, dass alle verpackten Transaktionen den Regeln der Blockchain entsprechen.Dieser einzelne Beweis wird dann an die Hauptkette übermittelt, die ihn schnell und schlüssig überprüfen kann.

So funktioniert ZK Rollup – Messari

Dieses Design reduziert das Datenvolumen und den Rechenaufwand der Schicht 1 erheblich und bietet gleichzeitig die gleichen Sicherheitsgarantien wie bei der Verarbeitung jeder Transaktion einzeln, wodurch Geschwindigkeits- und Skalierungsengpässe der Schicht 1 beseitigt werden.

Einige repräsentative Projekte von ZK Rollup sind:

• zkSyncEra: Entwickelt von Matter Labs, verwendet zk-SNARKs für schnelle Endgültigkeit.

• StarkNet: Basierend auf zk-STARKs, mit Schwerpunkt auf Skalierbarkeit und Transparenz

• Polygon zkEVM: Eine wissensfreie Implementierung der Ethereum Virtual Machine (EVM), die sie vollständig kompatibel mit bestehenden Smart Contracts auf Ethereum macht.

• Leichter: Eine nachhaltige DEX-Plattform, die auf einem benutzerdefinierten ZK-Rollup mit zk-SNARKs, insbesondere Plonky2, basiert.

Vorteile von ZK Rollup

Durch die Komprimierung Tausender Transaktionen in einem einzigen kryptografischen Beweis können ZK-Rollups den Durchsatz erheblich steigern, sodass Blockchains wie Ethereum mehr Aktivitäten verarbeiten können, ohne Dezentralisierung oder Sicherheit zu beeinträchtigen.

Sicherheit ist ein weiterer wichtiger Vorteil. Im Gegensatz zu optimistischen Rollups, die auf finanziellen Anreizen und einer einwöchigen Prüfungsphase zur Betrugserkennung basieren, verwenden ZK-Rollups mathematische Gültigkeitsnachweise, um die Korrektheit im Voraus zu garantieren.Sobald der Beweis in der Kette verifiziert ist, ist die zugrunde liegende Transaktion endgültig und unveränderlich, wodurch Latenz und Unsicherheit vermieden werden.

Dies bedeutet auch schnellere Bestätigungen.Transaktionen in einem ZK-Rollup werden abgewickelt, sobald ihre entsprechenden Nachweise überprüft wurden, sodass Benutzer im Vergleich zu den in Optimistic-Systemen üblichen Wartezeiten fast sofort auf die Endergebnisse zugreifen können.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Kosteneffizienz.Da ZK Rollups nur eine sehr kleine Datenmenge an die Layer-1-Blockchain übermitteln, werden die Gasgebühren erheblich gesenkt, was die Ausführung von Benutzern und Anwendungen auf Ethereum günstiger macht.

Noch spannender ist, dass ZK Rollup die Tür zu einem verbesserten Datenschutz öffnet.Da es selbst auf wissensfreier Kryptografie basiert, könnte die Vertraulichkeit theoretisch direkt in das Rollup selbst eingebettet werden, was private und überprüfbare Transaktionen in großem Umfang ermöglicht.

Die größte Einschränkung liegt derzeit in den Rechenanforderungen.Die Erstellung von Zero-Knowledge-Beweisen verbraucht immer noch viele Ressourcen und erfordert leistungsstarke Hardware und fortschrittliche Kryptografietechniken.Kontinuierliche Fortschritte, insbesondere in den Bereichen Hardwarebeschleunigung, Schaltungsdesign und Rekursionsnachweise, führen jedoch zu einer stetigen Reduzierung dieser Kosten, wodurch jede Generation von ZK-Rollups effizienter wird.

Vergleich mit Optimistic Rollup

Optimistische Rollups wie Arbitrum und Optimism folgen einer anderen Philosophie.Sie gehen standardmäßig davon aus, dass alle Transaktionen außerhalb der Kette gültig sind.Erst wenn jemand diese Annahme in Frage stellt, fordert das System einen „Beweis für Betrug“ an, um den Streit zu überprüfen. Dieser Vorgang dauert normalerweise etwa eine Woche.Dieses Modell funktioniert in der Praxis gut, führt jedoch zu Verzögerungen bei der endgültigen Bestätigung von Transaktionen und setzt Anreize für Teilnehmer, ungültige Aktivitäten zu erkennen und zu melden.

Das ZK-Rollup verfügt über einen wissensfreien Gültigkeitsnachweis für jeden Transaktionsstapel, der seine Richtigkeit mathematisch bestätigt, bevor es in die Hauptkette geschrieben wird, und so sofortige Endgültigkeit und höhere Sicherheit bietet, aber auch eine höhere technische Komplexität und einen größeren Berechnungsaufwand mit sich bringt.

Im Wesentlichen stellen die beiden Modelle unterschiedliche Kompromisse dar. Optimistic Rollup ist einfacher zu implementieren und dominiert derzeit aufgrund seiner Einfachheit und vollständigen Kompatibilität mit der Ethereum Virtual Machine (EVM) den Layer-2-Bereich von Ethereum.Das ZK-Rollup ist komplexer und rechenintensiver, bietet jedoch das Potenzial für schnellere Abrechnungen, geringere Kosten und integrierten Datenschutz.

Fazit

Wissensfreie Beweise stellen einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise dar, wie wir Vertrauen, Datenschutz und Verifizierung in digitalen Systemen angehen.Diese abstrakte kryptografische Theorie, die in den 1980er Jahren entstand, hat sich zu einer der vielversprechendsten Technologien entwickelt, die die Entwicklung der nächsten Generation dezentraler Infrastruktur vorantreibt.

Im Bereich der Kryptowährung ermöglichen wissensfreie Beweise private Transaktionen, dezentrale Identität, kettenübergreifende Interoperabilität und vor allem skalierbare Rollup-Architekturen, die den Durchsatz exponentiell steigern und gleichzeitig die Sicherheit auf Ethereum-Ebene aufrechterhalten.Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich über die Blockchain hinaus auch auf Bereiche wie Finanzen, künstliche Intelligenz und Datenverifizierung.

Obwohl sich die Anwendung von Zero-Knowledge-Proofs noch in einem relativ frühen Stadium befindet, ist der Entwicklungspfad bereits klar.Wissensfreie Beweise wandeln sich von einer neuartigen Technologie in der Kryptographie zu einem unvermeidlichen Bestandteil des Infrastrukturaufbaus.Wenn die Blockchain auf Milliarden von Benutzern skaliert werden soll und gleichzeitig Privatsphäre und Dezentralisierung gewährleistet, dann könnten Zero-Knowledge-Proofs der Schlüssel zur Erschließung dieser Zukunft sein.