ZK 证明和 zkEVM 的工作原理（无需数学）

零知识 (ZK) 证明正在为 web3 的最新创新提供动力。它们已经被用于Polygon 的 zkEVM等产品中，为以太坊带来可验证的可扩展性，而Polygon ID则用于在不泄露任何个人信息的情况下验证您的身份。

一句话：ZK 证明可以让你在不泄露事物本身的情况下证明某件事。这有几个实际应用，例如在不提供完整许可证/护照信息的情况下验证您的年龄。

但这实际上是如何运作的呢？幕后发生了什么让这一切成为可能？在这篇文章中，我将介绍您需要了解的有关 ZK 证明的所有内容，但忽略数学。

我们开始做吧！

ZK 证明如何工作？

为了在不泄露声明本身的情况下证明声明的有效性，涉及两方：

1. 证明者：试图证明某事的人。
2. 验证者：试图验证声明是否“真实”的人。

有时，涉及第三方（即颁发者），该第三方向证明者授予证书（例如许可证），验证者将其作为信息来源信任。

让我们看一个例子…我想向一个网站证明我已年满 18 岁，但不上传我的护照照片。在这种情况下，有：

• 证明**者：**我，试图证明我达到法定年龄的人。
• 验证**者：**网站所有者，试图验证我是否达到法定年龄。
• 发行人：向我提供护照的政府；网站所有者信任的证明我年龄的文件。

通常，我需要将整个护照的屏幕截图上传到网站（我真的不想这样做），只是为了证明我已年满 18 岁。

斯蒂芬制作的一个有趣的例子是将其应用于海绵宝宝。海绵宝宝想要证明他的名字确实是海绵宝宝，但为了做到这一点，他需要向验证者（警察……或者我猜，警鱼）提供他的完整许可证。

他的驾照包含敏感信息，如出生日期、地址、性别等；所有这些都不是证明他的名字所必需的；但可惜的是，他别无选择。

如果海绵宝宝能证明他的名字，或者我能以某种方式证明我已经超过 18 岁，而不需要交出那么多敏感信息，那就更好了。

这是 ZK 证明如何为世界提供真正价值的一个典型例子。有了 ZK 证明，我现在能够向验证者证明我的部分身份*（或其他任何内容） ，而无需提供我身份的任何方面或任何支持文件来证明这一事实。*

这样，我就不会将敏感的个人信息转移给第三方存储在数据库中；容易受到攻击和泄露；目前，我们几乎每次注册网站时都会面临一些风险。

这一切听起来都很棒。但如何在不透露任何内容的情况下证明某件事呢？为此，我们可以更深入地了解 ZK 证明是什么。

ZK 证明由什么组成？

所以，我们想要证明某件事，而不透露我们如何知道那件事，或者那件事到底是什么。这怎么可能？

在我们回答这个问题之前，ZK 证明分为两大类：

1. 交互的
2. 非交互式

在 web3 中我们关心的是非交互性的，但让我们快速了解一下 ZK 上下文中的“交互性”指的是什么。

交互式 ZK 证明

想象一下，有一个环形洞穴，里面有一扇门，需要密码才能进入。

作为证明者，您的目标是向您的朋友（**验证者）**证明您知道秘密密码（称为“证人”），而不告诉他们实际的密码。

你不想告诉你的朋友密码，所以你要证明你知道它；首先，随机进入洞穴的一侧；在他们看不见的情况下。

此时，你的朋友不知道你站在哪一边。但作为挑战，他们会喊出“A！” 或“B！”；要求您从A侧或B侧****退出。

在这个简单的例子中，这可能会导致两种结果：

1. 你进入了A面，所以你需要密码才能通过大门进入B面：

1. 您进入B面，所以不需要密码；你可以直接退出：

这就是所谓的 阿里巴巴洞穴故事，供参考。

这是一个简单的例子，因为无论您是否需要密码来满足您朋友的挑战，这都是 50/50 的比例；因此，仅执行一次此挑战不足以确定您知道密码。

这意味着您需要完成更多次挑战，正确退出 A 侧或 B 侧，直到您的朋友满意为止；或者在理论世界中，直到你不可能伪造证人的知识（密码）。

因此，这是交互式的；您（证明者）和您的朋友（验证者）来回交互。你的朋友提出了一个挑战，你提出了一个回应。重复这个循环，直到验证者满意为止，此时验证者已经证明了证人的知识。

这构成了交互式 ZK 证明的三个部分：

1. 见证人：证明者想要证明其了解的秘密信息。
2. 挑战：只有了解证人的人才能回答这个问题；虽然可能是一个幸运的猜测。
3. Response：证明者对挑战的响应；包含*（希望）*正确的答案。

重复步骤2和3，直到验证者满意为止。

最终，一旦验证者满意，循环就会中断；验证者不会产生另一个挑战，而是承认证明者了解证人。

虽然这个过程有效，但它需要证明者和验证者之间进行多轮通信；这是低效的，并且在区块链环境中效果不佳。

交互式证明还有另一个很大的限制；即使验证者满意后，该证据也无法用于独立验证；这意味着只有验证它的一方才能信任它，而不是其他任何人。

由于这些原因，进行了非交互式 ZK 证明。

非交互式 ZK 证明

非交互式 ZK 证明只需要从证明者到验证者的一轮通信。证明者使用一种算法来计算 ZK 证明并将其发送给验证者，验证者也使用另一种算法来检查它。

非交互式 ZK 证明的另一个好处是它们也可供其他任何人验证；这意味着它不仅可以从验证者的 POV 中得到证明，而且可以供每个人验证自己；适合区块链。

这些能够证明信息和验证证据的“算法”是什么？嗯，答案是；这取决于。[它们的数量相当多](https://en.wikipedia.org/wiki/Zero-knowledge_proof#:~:text=The most popular interactive or,Delegation (VPD)%2C and Succinct)，但在区块链环境中通常使用两种 ZKP 系统；ZK-SNARK 和 ZK-STARK。

什么是 ZK-SNARK？

ZK-SNARK 的意思是零知识简洁非交互式知识论证。

• **ZK：**希望现在你能猜到这意味着什么（零知识）。
• 简洁：它们很小，并且可以被验证者快速验证。
• 非交互式：我们之前讨论过这一点。证明者和验证者之间只需要一轮通信。
• 论据：理论上来说，“欺骗”系统的可能性极小。
• （的）知识：如果不访问秘密信息（见证人），就无法构建知识。

他们使用一种称为椭圆曲线配对的加密原语作为创建和验证这些证明的方法（我们不会在这里讨论数学）。

关于 ZK-SNARK 需要注意的一件关键事情是，在初始设置阶段，证明者和验证者必须同意使用“共享密钥”，即公共参考字符串 (CRS)。任何有权访问此共享密钥的人都可以验证这些证明。

这个共享密钥使 ZK-SNARK 成为可能；尽管这也可以说是它们最大的缺点，因为它创建了所谓的“可信环境”。

用于创建 CRS 的值（有时称为“有毒废物”）需要在 CRS 生成后销毁。如果不是，整个系统就会面临风险；因为不诚实的证明者能够计算出错误的证明；因此，用户必须相信价值已被破坏。

关于 ZK SNARK 还值得一提的是，它们不具有“抗量子性”。这意味着它们将来很容易受到量子计算机的攻击；尽管它们将来可能会升级以具有抗量子性。

什么是 ZK-STARK？

ZK-STARK 的意思是零知识可扩展透明知识论证。

• 可扩展：它们不是“简洁”的，而是可扩展的；这意味着它们比 ZK-SNARK 更有效地生成和验证更多见证人的证明。
• 透明：无需可信设置。他们依靠可公开验证的随机性来生成共享密钥。

这种透明度的提高通常需要权衡生成比 ZK-SNARK 大小大得多的证明；除非处理非常大的数据集。[证明的大小从 288 字节增加到几百 KB](https://vitalik.ca/general/2017/11/09/starks_part_1.html#:~:text=the size of a proof goes up from 288 bytes to a few hundred kilobytes)。

他们不使用椭圆曲线，而是使用多项式**；**我绝对没有资格告诉你。Vitalik 针对该主题推出了一个由三部分组成的系列：1 , 2 , 3。

ZK STARK 解决了我们与 ZK-SNARK 讨论的两个问题，它们：

1. 不需要“可信环境”。
2. 似乎是后量子安全的；这意味着它们将来不会容易受到量子计算机的攻击。

ZK-STARKS 比 ZK-SNARK 更新，Vitalik 称它们为“[更新、更闪亮的表弟](https://vitalik.ca/general/2017/11/09/starks_part_1.html#:~:text=a newer%2C shinier cousin)”！🤠 所以，快速回顾一下：

	ZK-SNARK	ZK-STARK
尺寸	简洁、可快速验证	更大，但在证明更大的证人时可以更有效地扩展
安全	需要可信的环境	不需要可信环境
后量子	尽管可以升级，但不安全	安全的

zkEVM 如何工作？

现在我们已经介绍了零知识证明的工作原理以及 web3 世界中出现的两种常见的 ZKP 形式，让我们来探讨一下由 ZKP 支持的最新创新之一；zkEVM（零知识以太坊虚拟机）。

zkEVM 有几种不同的形式；正如 Vitalik 在他的博客文章“不同类型的 ZK-EVM ”中概述的那样。我将在这篇文章中引用的是Polygon zkEVM。

zkEVM 的目标是提高以太坊区块链的可扩展性，同时保持安全、去中心化和EVM兼容。

细节很复杂，但核心原理与我们到目前为止讨论的相同。与所有 ZKP 系统一样，有：

1. 证明者：生成代表用户提交的一批交易真实性的有效性证明。
   • 首先，它创建多个 ZK-STARK 证明。
   • 它使用STARK Recursion将 ZK-STARK 捆绑在一起，以创建单个 ZK-STARK。
   • 这个 ZK-STARK 很大，因此它通过CIRCOM 组件输出到 SNARK 构建器。
   • 顾名思义，SNARK 构建器生成 ZK-SNARK 有效性证明；这有助于将 Gas 成本从 5M 降低到 350K。
2. 验证者：PolygonZkEVM部署在以太坊上的智能合约是 ZK 证明的验证者。

zkEVM 中的数据流

下面是 Polygon zkEVM 中数据的简化流程图。

我将其分成按时间顺序排列的部分，以帮助其更容易理解。

提交交易

作为用户，您可以像平常使用任何其他 EVM 链（例如以太坊）一样提交交易；通过签署交易并通过 JSON RPC 发送它们。

运行 zkEVM 软件的定序器节点会选取这些交易并决定要处理哪些交易，并制定一些激励机制来正确处理这些交易。

批量交易

排序器将交易批量合并为一个，并将它们提交到PolygonZkEvm智能合约，该智能合约存储在以太坊主网上（以及以太坊 Goerli 测试网上的一个单独实例）。

这些批次目前不一定正确或经过验证。

验证交易

使用 ZKP，PolygonZkEVM智能合约在此设置中充当验证者。它想要验证刚刚收到的批次是否有效；它通过将批次发送到聚合器节点来实现这一点。

生成和验证 ZK 证明/有效性证明

智能PolygonZkEVM合约将刚刚收到的批次发送到聚合器节点，该节点是另一台运行 zkEVM 软件并与 ZK 证明器通信的机器。流程如下：

• 聚合器从智能合约接收批次
• 聚合器将批次发送到 ZK Prover
• ZK Prover 创建多个 ZK-STARK -> 单个 ZK-STARK -> 一个 ZK-SNARK
• ZK-SNARK（有效性证明）被发送回聚合器
• 聚合器将有效性证明发送回PolygonZkEVM智能合约
• 智能PolygonZkEVM合约验证有效性证明
  • 如果有效性证明有效，则接受。
  • 如果无效，则拒绝它。

阅读 ZK EVM

为了使 ZK EVM 发挥作用，去中心化应用程序（dApp）需要从中读取信息；这就是同步器发挥作用的地方。

它从以太坊智能合约中读取事件，存储来自聚合器的 ZK 有效性证明和从排序器提交的批次的知识。

这样，应用程序就可以通过 JSON RPC 轻松获取汇总状态的视图。

总结

零知识证明是密码学的现实应用，可以成为更加注重隐私的未来的基础；在Polygon ID等产品中得到了证明。

在区块链的背景下，ZKP 被用来提高Polygon 的 zkEVM等产品中以太坊的可扩展性，通过提供一种验证批量交易的新方法，而不会出现我们今天在其他汇总解决方案中看到的典型的安全性或 EVM 兼容性损失。

在这篇文章中，我们介绍了：

• ZK 证明是什么，以及为什么它们很重要。
• ZK 证明如何工作，包括 ZK-SNARK 和 ZK-STARK。
• 这些证明如何在区块链世界中使用。

如果您想了解如何应用这些概念，我之前有一篇博客文章介绍了如何在 Polygon zkEVM 上构建您的第一个智能合约和去中心化应用程序，如下所示：

https://blog.jarrodwatts.com/the-ultimate-guide-to-building-on-polygon-zkevm

原文：https://blog.jarrodwatts.com/how-zk-proofs-and-zkevms-work