零知识证明挖矿

Fox 视界

2022-06-20 18:00

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背景

ZKP（零知识证明）

ZKP 的定义非常广泛。根据“Why and How zk-SNARK Works” 一文，一个证明者想要让验证者相信某些陈述是正确的，ZKP 协议应该满足三个属性：

完整性——如果陈述是真的，那么证明者可以说服验证者

可靠性——作弊证明者无法说服验证者做出虚假陈述

零知识性——交互只揭示一个陈述是否是真的，不揭露其他信息

图一：ZKP 协议

例如，Alice 想要让 Bob 相信她知道 Carol 的电话号码。她打电话给Carol，然后 Carol 的电话响了，显示是 Alice 打来的。通过这种方式，Alice在不透露电话号码的情况下向Bob证明了她知道Carol的电话号码，这就是一个 ZKP 协议。

当我们在区块链的背景下谈论 ZKP 时，它通常指的是定义中的特定算法分支。这些算法在大多数情况下被称为 zkSNARKs（零知识简洁非交互式知识论证），并具有以下属性：

1.非交互式证明过程。证明过程只需要证明者向验证者发送证明即可。

2.简洁的证明。证明体积小，验证者可以快速验证。

3.可编程语句。该算法可以将任何语句转换为 QAP（Quadratic Arithmetic Program）进行证明。

关于区块链中使用的详细 ZKP 算法，可以参考“Awesome zero knowledge proofs”一文。它的发展遵循这样一个趋势：计算速度越来越快，对“可信设置”的依赖越来越低，证明规模越来越小。下面列出了一些算法及其相关项目：

1.Pinocchio（ZCash Sprout 版）：最早将 ZKP 引入区块链。

2.Groth16（ZCash Sapling 版本，Filecoin）：比 Pinocchio 更快。

3.ZK-STARKs (StarkWare)：没有可信的设置。

4.PLONK (zkSync)、Marlin (Aleo)：通用可信设置

5.Halo 2（ZCash NU5 版本）：无可信设置，递归

ZKP 具有适用于区块链的属性。首先，与默克尔证明和数字签名等其他证明系统相比，ZKP能够证明任何语句，为链上逻辑带来多样性。其次，它的证明简洁，在链上验证时消耗更少的gas费。

ZKP 最早的使用强调其零知识的特性，在不泄露任何交易信息的情况下证明交易的有效性，例如 ZCash。后来，ZKP 经历了瓶颈期，人们发现对区块链隐私的需求并不强烈，ZKP因为需要很长的时间来进行计算而对用户并不友好。

最近，ZKP 因其在区块链可扩展性方面的应用而重新引起人们的关注，通过证明大量数据的有效性，ZKP 扩展了区块链的计算和存储能力。一些经过验证的数据及其相关项目：

1.L2 交易：zk-Rollup项目，如 zkSync、StarkWare

2.L1 交易：Mina

3.链下数据：Filecoin

这几天关于 ZKP 的讨论非常热闹。Paradigm 分析了 ZKP 的硬件加速，认为 FPGA 优于 GPU 和 ASIC；a16z 总结了关于ZKP 的相关概述—— 零知识证明阿姆斯特丹峰会（Zero Knowledge Summit Amsterdam）上也提供了许多关于ZKP 的见解和新想法。

矿业

今年以太坊将从PoW转向PoS，区块链挖矿市场将大幅萎缩。虽然近年来出现了存储挖矿，包括 Filecoin、Chia、Arweave 等，但仍然无法满足以太坊退出带来的市场空缺。

但另一方面，ZKP 也在区块链挖矿中有一些早期的应用。例如市场上有矿工为Mina提交他们生成的零识证明来赚取代币。在 Filecoin 中，矿工需要为存储在链下的每个数据扇区生成 ZKP，从而获得存储能力。

图二：Mina ZKP marketplace

我们可以看到，传统的哈希挖矿也存在诸多关于能源浪费、无意义计算的争议。因此，区块链领域正在努力寻找一种有意义的挖矿方式。ZKP的特性（证明任意语句，复杂证明但简单验证）为区块链挖矿市场提供了更多可能性。

机会

今年我们会专注于一些零知识证明挖矿项目。

Filecoin

Filecoin 利用 ZKP 通过名为复制证明和时空证明的算法来证明链下数据。我们认为今年 Filecoin 挖矿将继续流行，原因有以下三个：

1.由于其经济模型，算力质押成本在过去一年中从 0.25 降至0.16 FIL。

2.FIL 的价格大幅下跌，进一步降低了其挖矿成本。

3.FVM智能合约的路线图为项目带来了积极的信号。

图三：Sector Initial Pledge Variations (FIL/32GiB)

Aleo

Aleo 启动了第一个“ZKP 证明”挖矿模式，在该模式下，矿工的计算能力取决于每单位时间可以计算多少个证明。该挖掘算法被命名为PoSW（Proof of Succinct Work），简述如下：

pseudo_random(zk_prove(nonce)) < target_difficulty

zk_prove()是用 nonce 作为输入来生成“包含其交易的当前块”的证明。target_difficulty根据全网算力调整。可以看到PoSW 和 PoW 基本相同，唯一的区别是 PoW 计算哈希，而 PoSW 计算 ZKP。

此外，Aleo 还开发了第一个“隐私智能合约”Leo。虽然还有其他基于 ZKP 的智能合约，如 zkSync 的 zkEVM、StarkWare 的Cairo 和 Mina 的 zkApps，但它们都不支持隐私。

去中心化 ZK-Rollups

目前 ZK-Rollups 的设计是中心化的：只有特定的operator才能向 L1 提交交易批次和有效性证明。Vitalik 给出了一些使operator去中心化的建议，例如排序拍卖、PoS 集合中随机选择和 DPoS 投票。 zkSync 和 StarkNet 都有明确的去中心化 ZK-Rollups 路线图。还有一些前沿研究，如 Polygon Hermes、StarkNet、PoVP 和 taikocha.in。

去中心化的 ZK-Rollups 带来了一种新的挖矿模式：矿工可以提交他们生成的证明，从而获得奖励，类似于Mina 的 ZKP交易市场。但是交易市场并不是最好的解决方案，因为证明会被浪费若无人购买。我们需要一个 ZKP 的并行计算架构来聚合所有矿工的力量。

挑战

在 Paradigm 的文章中有详细说明，ZKP 挖矿的第一个挑战是加速。Paradigm 假设 FPGA 在硬件加速方面优于 GPU 和 ASIC，但我们有一些不同的看法。我们认为，在可预见的未来，GPU 仍将是 ZKP 计算的主流硬件，原因在于：

1.ZKP 算法在未来会频繁变化，GPU 是对程序员最友好的硬件。

2.矿工持有大量 GPU，尤其是对于以太坊挖矿。当以太坊最终切换到 PoS 时，这些 GPU 将可用于ZKP 挖矿。

第二个挑战是 ZKP 在分布式硬件上的并行计算。目前，解决方案分为三种：

1.如果每个证明只需要一点点计算，比如 Aleo，传统的矿池适合将计算任务分配给分布式硬件。

2.有时我们可以将单个证明分成多个证明，例如 zkSync 和 Filecoin。在这种情况下，分离的证明可以并行计算，然后聚合成一个。

3.DIZK是一种能够以分布式方式计算单个证明的架构。

附：

1、Why and How zk-SNARK Works：https://arxiv.org/abs/1906.07221

2、QAP（Quadratic Arithmetic Program）：https://medium.com/@VitalikButerin/quadratic-arithmetic-programs-from-zero-to-hero-f6d558cea649

3、Awesome zero knowledge proofs：https://github.com/matte

4、可设置性：https://vitalik.ca/general/2022/03/14/trustedsetup.html

5、零知识证明阿姆斯特丹峰会：https://www.youtube.com/watch?v=SCIuwh9ya8U

6、FVM：https://fvm.filecoin.io

7、Paradigm Hardware Acceleration for Zero Knowledge Proofs：https://www.paradigm.xyz/2022/04/zk-hardware

8、DIZK：https://github.com/scipr-lab/dizk

可点击下方“阅读原文”查看原文内容。

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