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Préface
Dans le paysage en constante évolution de la cryptographie et de la blockchain, peu d’innovations ont attiré autant d’attention que les preuves sans connaissance (ZK). Autrefois un concept académique obscur dans les articles théoriques en informatique, les preuves sans connaissance sont rapidement passées du papier au réseau principal, devenant ainsi la pierre angulaire de la prochaine génération d’infrastructure cryptographique.
Fondamentalement, les preuves sans connaissance remettent en question une hypothèse de longue date dans les systèmes numériques : selon laquelle la vérification nécessite l’exposition d’informations.Qu’il s’agisse de se connecter à une application, de vérifier une identité ou de confirmer une transaction, nous avons toujours eu besoin de divulguer certaines informations afin de gagner la confiance.La technologie de preuve sans connaissance brise ce compromis, nous permettant de prouver des faits sur des identités, des données ou des calculs sans révéler d’informations sous-jacentes.
En plus de la protection de la vie privée, les preuves sans connaissance permettent l’évolutivité, l’interopérabilité et la vérification sans confiance à l’échelle mondiale.Des cumuls ZK qui optimisent le débit de la blockchain aux systèmes d’identité et de conformité préservant la confidentialité, les preuves sans connaissance redéfinissent ce qui est possible en cryptographie.
Résumé
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Les preuves sans connaissance (ZK) peuvent vérifier des informations telles que l’identité, le solde ou la validité de la transaction sans révéler les données sous-jacentes.
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Bien que la technologie de preuve sans connaissance ait été proposée pour la première fois dans les années 1980, elle n’est devenue pratique que récemment grâce aux progrès de l’informatique, de la cryptographie et de la technologie blockchain.
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Les preuves ZK alimentent les transactions privées, l’identité décentralisée, le vote DAO et l’interopérabilité entre les chaînes, tout en faisant évoluer Ethereum en regroupant des milliers de transactions dans une seule preuve via ZK Rollup.
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Bien qu’il nécessite beaucoup de calculs, l’algorithme de cumul ZK a une finalité instantanée, des frais inférieurs et une sécurité renforcée, ce qui le place en avance sur les schémas optimistes.
Qu’est-ce qu’une preuve sans connaissance ?
La preuve sans connaissance (ZK) est une méthode cryptographique qui permet à une partie (le prouveur) de prouver à une autre partie (le vérificateur) qu’une certaine déclaration est vraie sans révéler pourquoi la déclaration est vraie ni aucune information supplémentaire.
Par exemple, Alice veut prouver à Bob qu’elle connaît le mot de passe d’une porte cachée dans une grotte, mais elle ne peut pas lui dire directement le mot de passe.Elle entre dans la grotte, ouvre la porte et ressort de l’autre côté.Bob ne pouvait pas voir comment elle avait fait, mais il savait qu’elle devait connaître le mot de passe.
La métaphore classique de la preuve sans connaissance – Chainlink
Traditionnellement, la vérification nécessite la divulgation de certaines informations : telles que des informations d’identité, des mots de passe ou des données.Les preuves sans connaissance renversent ce modèle, prouvant l’identité, l’authenticité ou la propriété sans exposer les données elles-mêmes.
Dans un système numérique, cela signifie que vous pouvez :
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Vous pouvez prouver que vous avez 18 ans ou plus sans révéler votre date de naissance.
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Prouvez des fonds suffisants sans révéler le solde du portefeuille
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Prouver la validité de la transaction sans révéler le contenu de la transaction
Cette capacité à « prouver sans révéler d’informations » est le fondement d’un système qui préserve la confidentialité, la sécurité et la transparence, et une preuve sans connaissance peut tirer parti de ces deux caractéristiques.
Comment fonctionnent-ils ?
Les preuves sans connaissance reposent sur des structures mathématiques ésotériques et des primitives cryptographiques, mais conceptuellement elles se résument à trois propriétés fondamentales :
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exhaustivité: Si la déclaration est vraie, un prouveur honnête peut convaincre le vérificateur qu’elle est vraie.
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Solidité: Si une déclaration est fausse, aucun prouveur tricheur ne pourra convaincre le vérificateur que la déclaration est fausse.
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Connaissance zéro: Le vérificateur n’apprend rien d’autre que le fait que la déclaration est vraie.
Il existe en fait plusieurs types de preuves à connaissance nulle, mais la discussion actuelle se concentre sur deux types : les preuves à connaissance nulle interactives et non interactives.
Dans les premières conceptions, les preuves sans connaissance étaient interactives.Le prouveur et le vérificateur s’engagent dans une conversation bidirectionnelle, le vérificateur posant des défis aléatoires et le prouveur fournissant des preuves en réponse, renforçant ainsi conjointement la confiance dans la véracité d’une déclaration.Bien que ce modèle fonctionne en théorie, dans un environnement blockchain, il est souvent difficile pour toutes les parties d’interagir en temps réel, il n’est donc pas très efficace.
Pour le rendre plus pratique, les cryptographes ont développé des preuves non interactives à connaissance nulle (NIZK), qui nécessitent uniquement que le prouveur envoie un message au vérificateur.Les plus connus d’entre eux sont les zk-SNARK, capables de générer des preuves extrêmement compactes et de les vérifier en quelques millisecondes.Une autre variante est celle des zk-STARK, qui ne nécessite aucune configuration fiable et offre un niveau de sécurité post-quantique.
Comment fonctionnent les zk-SNARK – Midnight Network
Essentiellement, ces systèmes permettent aux prouveurs de générer des « empreintes » mathématiques de calculs efficaces.Le vérificateur peut alors vérifier cette empreinte digitale sans refaire l’intégralité du calcul.C’est exactement pourquoi ils sont si puissants dans la mise à l’échelle de la blockchain : des milliers de transactions peuvent être vérifiées rapidement et à moindre coût en vérifiant simplement une seule preuve cryptographique.
Quand les preuves sans connaissance ont-elles été inventées ?
Les preuves sans connaissance remontent au milieu des années 1980, lorsque les chercheurs Shafi Goldwasser, Silvio Micali et Charles Rackoff ont introduit le concept dans leur article fondateur « La complexité des connaissances des systèmes de preuve interactifs » (1985).
Leurs premiers modèles théoriques ont jeté les bases des décennies suivantes d’innovation cryptographique, mais ce n’est que dans les années 2010, grâce à l’amélioration de l’efficacité informatique et à l’essor de la technologie blockchain, que les preuves sans connaissance sont devenues pratiques.
Des projets tels que Zcash, lancé en 2016 et l’un des premiers à déployer des preuves sans connaissance à grande échelle, utilisent zk-SNARK pour permettre des transactions privées sur un grand livre public.Depuis lors, la technologie de preuve sans connaissance a considérablement évolué, rendant la génération de preuves plus efficace et plus rapide, et de nouveaux frameworks sont apparus (tels que zk-STARK, Halo et PLONK) qui facilitent l’utilisation par les développeurs et sont plus adaptés à la mise à l’échelle du système dans le monde réel.
Quelles sont les applications des preuves à connaissance nulle dans le domaine du chiffrement ?
Le scénario d’application le plus intuitif et le plus connu concerne les transactions préservant la confidentialité.Les preuves sans connaissance permettent aux utilisateurs d’effectuer des transactions sur une blockchain publique sans exposer d’informations sensibles telles que les montants des transactions ou les contreparties.Zcash est un pionnier de cette technologie, introduisant un mécanisme de « transactions protégées » pour protéger la confidentialité des utilisateurs tout en maintenant une intégrité vérifiable sur la chaîne.S’appuyant sur cette base, des projets tels que Tornado Cash, Aztec et Railgun ont étendu la technologie de preuve sans connaissance à Ethereum, permettant des interactions de contrats intelligents privés et des transactions DeFi confidentielles.
Comment fonctionne Tornado Cash – Elliptique
En plus de la protection de la vie privée, les preuves sans connaissance révolutionnent le monde de l’identité numérique et de la conformité réglementaire. Il prend en charge la divulgation sélective, permettant aux utilisateurs de prouver leurs faits spécifiques sans révéler de données personnelles.Par exemple, les utilisateurs peuvent prouver qu’ils ont réussi la vérification KYC sans révéler leur nom, ou confirmer qu’ils ne figurent pas sur une liste de sanctions sans fournir d’informations d’identification.Ce principe sous-tend les systèmes d’identité émergents à connaissance nulle tels que la preuve de personnalité de Worldcoin, Polygon ID et zkPass.
Polygon ID : un système d’identité prenant en charge les preuves sans connaissance – Polygon
Les preuves sans connaissance ont également de puissantes applications en matière de vote et de gouvernance. Dans les organisations autonomes décentralisées (DAO), ils peuvent faciliter un processus de vote anonyme mais vérifiable, garantissant des résultats transparents tout en protégeant l’identité privée des électeurs individuels.Cela contribue à réduire le risque de coercition ou de représailles et encourage une participation plus honnête à la prise de décision collective, renforçant ainsi les principes démocratiques de la gouvernance décentralisée.
Un autre avantage de la preuve sans connaissance réside dans le domaine de la vérification inter-chaînes.Dans un environnement multi-chaînes, l’établissement de la confiance entre les différentes blockchains nécessite traditionnellement des intermédiaires ou des mécanismes de pontage complexes.Les preuves sans connaissance offrent une solution plus élégante : une preuve générée sur une chaîne peut prouver la validité de son état, et l’autre chaîne peut vérifier indépendamment cette preuve.Cela permet une interopérabilité sans confiance, permettant à différentes blockchains de communiquer en toute sécurité sans dépendre de validateurs centralisés.
La technologie ZK améliore également l’évolutivité d’Ethereum grâce à ZK Rollup.En regroupant des milliers de transactions dans une seule preuve cryptographique, ces cumuls réduisent considérablement la charge de données en chaîne tout en garantissant la sécurité.Le résultat est un traitement des transactions plus rapide, moins coûteux et plus efficace, jetant les bases permettant à Ethereum de gérer des applications à grande échelle sans compromettre sa nature décentralisée.
Explication détaillée de ZK Rollup
De toutes les applications basées sur des preuves à connaissance nulle, le rollup ZK est sans aucun doute la plus transformatrice.Ils résolvent l’un des plus grands défis de la crypto-monnaie : l’évolutivité de la blockchain.
Depuis la naissance de la technologie blockchain, toutes les blockchains ont été confrontées au trilemme de la blockchain : toutes les blockchains ne peuvent atteindre que deux des trois attributs fondamentaux que sont la sécurité, l’évolutivité et la décentralisation. Les blockchains comme Ethereum, bien que sécurisées et décentralisées, restent lentes et coûteuses.Chaque transaction doit être vérifiée par tous les nœuds, ce qui crée des goulots d’étranglement, limite le débit, augmente les frais de gaz et réduit considérablement la disponibilité de la blockchain.
Rollup est une solution de couche 2 qui exécute des transactions hors chaîne, puis publie des informations agrégées vers la chaîne principale ou la couche 1 (généralement Ethereum). Le rollup est principalement divisé en deux types : le rollup optimiste et le rollup ZK.
Dans ZK Rollup, des centaines ou des milliers de transactions hors chaîne sont regroupées.Le prouveur génère une preuve à connaissance nulle (également appelée preuve de validité) indiquant que toutes les transactions packagées sont conformes aux règles de la blockchain.Cette preuve unique est ensuite soumise à la chaîne principale, qui peut la vérifier de manière rapide et concluante.
Comment fonctionne ZK Rollup – Messari
Cette conception réduit considérablement le volume de données et la charge de calcul de la couche 1 tout en conservant les mêmes garanties de sécurité que le traitement de chaque transaction individuellement, éliminant ainsi les goulots d’étranglement en matière de vitesse et d’évolutivité de la couche 1.
Certains projets représentatifs du rollup ZK incluent :
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zkSyncEra: Développé par Matter Labs, utilise zk-SNARK pour une finalité rapide.
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StarkNet: Construit sur zk-STARK, mettant l’accent sur l’évolutivité et la transparence
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Polygone zkEVM: Une implémentation sans connaissance de la machine virtuelle Ethereum (EVM), la rendant entièrement compatible avec les contrats intelligents existants sur Ethereum.
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Plus léger: Une plate-forme DEX durable construite sur un rollup ZK personnalisé utilisant zk-SNARK, en particulier Plonky2.
Avantages du cumul ZK
En compressant des milliers de transactions en une seule preuve cryptographique, les cumuls ZK peuvent augmenter considérablement le débit, permettant aux blockchains comme Ethereum de gérer plus d’activité sans sacrifier la décentralisation ou la sécurité.
La sécurité est un autre avantage clé.Contrairement aux cumuls optimistes, qui s’appuient sur des incitations financières et une période de test d’une semaine pour détecter la fraude, les cumuls ZK utilisent des preuves de validité mathématique pour garantir l’exactitude à l’avance. Une fois la preuve vérifiée en chaîne, la transaction sous-jacente est définitive et immuable, éliminant la latence et l’incertitude.
Cela signifie également des confirmations plus rapides. Les transactions dans un rollup ZK sont réglées dès que leurs preuves correspondantes sont vérifiées, donnant aux utilisateurs un accès presque immédiat aux résultats finaux par rapport aux temps d’attente courants dans les systèmes Optimistic.
La rentabilité est un autre avantage majeur.Étant donné que les ZK Rollups ne soumettent qu’une très petite quantité de données à la blockchain de couche 1, les frais de gaz sont considérablement réduits, ce qui rend l’exécution des utilisateurs et des applications sur Ethereum moins chère.
Ce qui est encore plus intéressant, c’est que le rollup ZK ouvre la porte à une protection améliorée de la vie privée.Puisqu’elle repose elle-même sur une cryptographie à connaissance nulle, la confidentialité pourrait théoriquement être intégrée directement dans le rollup lui-même, permettant ainsi des transactions privées et vérifiables à grande échelle.
La principale limitation actuelle réside dans les exigences de calcul.Générer des preuves sans connaissance consomme encore beaucoup de ressources et nécessite un matériel puissant et des techniques de cryptographie avancées.Cependant, les progrès continus, notamment en matière d’accélération matérielle, de conception de circuits et de preuves de récursivité, réduisent régulièrement ces coûts, rendant chaque génération de cumuls ZK plus efficace.
Comparaison avec le cumul optimiste
Les cumuls optimistes, tels que Arbitrum et Optimism, suivent une philosophie différente.Par défaut, toutes les transactions hors chaîne sont valides. Ce n’est que lorsque quelqu’un conteste cette hypothèse que le système demande une « preuve de fraude » pour vérifier le litige, un processus qui prend généralement environ une semaine.Ce modèle fonctionne bien en pratique, mais introduit des retards dans la confirmation finale des transactions et repose sur des incitations pour que les participants détectent et signalent les activités invalides.
Le rollup ZK est livré avec une preuve de validité sans connaissance pour chaque lot de transactions, confirmant mathématiquement son exactitude avant d’être écrit dans la chaîne principale, offrant ainsi une finalité instantanée et une sécurité renforcée, mais il apporte également une plus grande complexité technique et un plus grand montant de calcul.
Essentiellement, les deux modèles représentent des compromis différents.Optimistic Rollup est plus facile à mettre en œuvre et domine actuellement l’espace couche 2 d’Ethereum en raison de sa simplicité et de sa compatibilité totale avec la machine virtuelle Ethereum (EVM).Le cumul ZK est plus complexe et demande plus de ressources informatiques, mais il offre la possibilité de règlements plus rapides, de coûts réduits et d’une confidentialité intégrée.
Conclusion
Les preuves sans connaissance représentent un changement de paradigme dans la façon dont nous abordons la confiance, la confidentialité et la vérification dans les systèmes numériques.Cette théorie cryptographique abstraite, née dans les années 1980, est devenue l’une des technologies les plus prometteuses favorisant le développement de la prochaine génération d’infrastructures décentralisées.
Dans l’espace des crypto-monnaies, les preuves sans connaissance alimentent les transactions privées, l’identité décentralisée, l’interopérabilité entre les chaînes et, plus important encore, les architectures de cumul évolutives qui augmentent de façon exponentielle le débit tout en maintenant la sécurité au niveau d’Ethereum.Leur champ d’application s’étend également au-delà de la blockchain et s’étend à des domaines tels que la finance, l’intelligence artificielle et la vérification des données.
Bien que l’application des preuves de connaissance nulle en soit encore à un stade relativement précoce, sa trajectoire de développement est déjà claire.Les preuves sans connaissance sont en train de passer d’une nouvelle technologie de cryptographie à un élément inévitable de la construction d’infrastructures.Si la blockchain doit s’adapter à des milliards d’utilisateurs tout en garantissant la confidentialité et la décentralisation, alors les preuves sans connaissance pourraient bien être la clé pour débloquer cet avenir.
