区块链扩容与隐私的终极方案

解构 零知识证明
从代数电路到以太坊扩容

不仅仅是“阿里巴巴的山洞”。深入探索 zk-SNARKszk-STARKs 的底层数学机制,理解 算术化(Arithmetization) 过程,以及 ZK-EVM 如何重塑区块链的未来。

核心定义

零知识证明(ZKP)是一种密码学协议,允许证明者(Prover)向验证者(Verifier)证明某个命题为真,而无需泄露任何支持该命题的“秘密信息”(Witness)。

关键特性:

  • 完备性 (Completeness): 只要陈述为真,诚实的证明者总能说服验证者。
  • 可靠性 (Soundness): 如果陈述为假,作弊者无法欺骗验证者(概率极低)。
  • 零知识 (Zero-Knowledge): 验证者除了知道“陈述为真”外,无法获取任何额外信息。
Prover 拥有秘密 w
Proof π
Verifier 验证 π(x, w)
Function C(x, w) -> true
如果不泄露 w,如何计算并验证 C?这就是 ZK 的魔法。
Under the Hood

从代码到证明:ZKP 的技术流水线

零知识证明不是直接对代码进行验证,而是需要将计算逻辑转化为数学约束。这个过程称为“算术化”。

1

计算逻辑 (Computation)

用高级语言(如 Circom, Solidity, Rust)编写的程序逻辑。

if (x * x == y) return true;
2

算术化 (Arithmetization)

将代码转化为算术电路或约束系统(如 R1CS)。

sym_1 = x * x
sym_1 - y = 0
3

多项式转化 (Polynomials)

使用 QAP (SNARKs) 或 AIR (STARKs) 将约束转化为多项式问题。

“如果证明者知道解,那么多项式 P(x) 必定能被 T(x) 整除。”
4

密码学承诺 (Commitment)

使用椭圆曲线(KZG)或哈希函数(FRI)生成简洁的证明。

Proof: 0x2a9f...
(Size: ~288 bytes for Groth16)

技术术语速查

R1CS (Rank-1 Constraint System)

一种用来描述电路约束的数学格式。形式为 A * B = C。是生成 zk-SNARK 的常见中间步骤。

Trusted Setup (可信设置)

某些 ZK 系统(如 Groth16)在启动前需要生成公共参考串(CRS)。如果生成过程中的“有毒废料”未销毁,系统可被伪造证明。

KZG Commitment

一种基于椭圆曲线配对的多项式承诺方案。主要用于以太坊的 Proto-Danksharding 和 zk-SNARKs。

两大主流流派:SNARKs vs STARKs

目前区块链领域最常用的两种 ZK 证明系统对比。

zk-SNARKs

最广泛使用

Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge

  • 证明体积极小

    仅几百字节,链上验证Gas费极低。

  • 依赖可信设置

    Groth16 等算法需要可信初始化(除了 Plonk/Halo2 等现代变体)。

  • 非抗量子

    依赖椭圆曲线离散对数问题,理论上可被量子计算机破解。

代表项目:
Zcash Loopring zkSync Lite

zk-STARKs

面向未来

Scalable Transparent Argument of Knowledge

  • 无需可信设置 (Transparent)

    仅依赖公开的哈希函数,消除了后门风险。

  • 抗量子攻击

    不依赖椭圆曲线,基于哈希函数,安全性更高。

  • 证明体积较大

    证明可达 40KB+,链上验证成本相对较高。

代表项目:
StarkNet dYdX Immutable X
Scaling Solution

ZK-Rollup:扩容的圣杯

ZK-Rollup 将数千笔交易的执行挪到链下(L2),通过生成一个数学证明(Validity Proof)来向以太坊主网(L1)汇报状态。

1

Sequencer (排序器)

收集用户交易,排序并打包成 Batch。执行交易并更新 L2 本地状态。

2

Prover (证明者)

读取 Batch 数据,运行复杂的电路运算,生成 ZK 证明。这是最耗费计算资源的一步。

3

L1 Contract (验证合约)

以太坊主网合约接收证明和新的状态根(State Root)。验证通过后,确认 L2 状态更新。

Ethereum L1 (主网) Rollup 合约 Verify(Proof) == true ZK-Rollup L2 Sequencer Prover 生成 ZKP Txns Trace Data Proof Call Data (Compressed)

ZK-EVM 的分类 (Vitalik 提出的标准)

Type 1

完全等效以太坊

不改变任何以太坊共识逻辑。生成证明最慢,但兼容性完美。

Ex: Taiko

Type 2

EVM 等效

稍微修改 gas 费用或数据结构以优化 ZK 生成。应用层完全兼容。

Ex: Scroll, Polygon zkEVM

Type 3

几乎 EVM 等效

移除难以 ZK 化的预编译合约。部分 DApp 可能需要重写。

Ex: Kakarot

Type 4

高级语言等效

将 Solidity 编译为 ZK 友好的字节码。生成证明最快,但并不兼容 EVM 操作码。

Ex: zkSync Era, StarkNet

互动实验室:模拟 ZK 身份验证

体验如何生成和验证零知识证明。

用户端 (Client / Prover)

此数据作为 Witness,仅在本地计算,不上链。

circuit.circom

Circuit Constraint:

template AgeCheck() {
    signal input year;
    signal input currentYear;
    signal output isAdult;

    // Constraint: age must be calculated correctly
    var age = currentYear - year;
    
    // Constraint: age >= 18
    component ge = GreaterEqThan(8);
    ge.in[0] <== age;
    ge.in[1] <== 18;
    
    isAdult <== ge.out;
}
                            

链上验证 (Verifier Smart Contract)

Public Inputs: currentYear: 2025 minAge: 18