零知識證明的技術路徑之爭：zk-SNARK和zk-STARK誰更優？

[shalisiting88]

Crypto行業被廣泛關注的零知識證明（Zero—Knowledge Proof）技術，並非是這幾年剛冒出來的新技術，而是在1980年就被數學家S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。

零知識證明涉及一系列步驟，可以實現密碼學中的「可用而不可知」。

而區塊鏈有著公開透明、不可篡改等特徵，意味著加密投資者的鏈上資產及交易記錄是沒有隱私可言的，於是零知識證明技術被引入了區塊鏈，當中以zk-SNARK和zk-STARK最為關注。

zk-SNARK被項目方採用得最多，zk-STARK則被密碼學專家認為優於ZK-SNARK。那麼綜合技術與實際應用，二者誰更優？

zk-SNARK：簡潔 + 非交互性

Alessandro Chiesa等人在2012年開發了zk-SNARK協議，這是一種簡潔化、非交互式的零知識證明技術，全稱是zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge，可以拆解成三部分來理解：

zero-knowledge：

零知識證明，在不暴露隱私情況下向對方證明一件事情，讓數據「可用而不可知」。

succinct：

簡潔性，要證明的東西佔用的空間很小，而且可以快速驗證（幾毫秒）。

non-interactive：

非交互性，意味著證明者和驗證者之間不需要有交集即可快速地得到驗證結果。

zk-SNARK的簡潔性和非交互性，是相對於傳統的零知識證明方案而言的。

簡單來說，傳統方案是交互式證明，即示證者（宣稱某一命題為真）和驗證者（確認該命題確實為真）之間反复確認，你可以理解為示證者不斷向驗證者詢問“是或不是？”，然後驗證者不斷給出回答，直到最後碰出一個正確答案來，所以效率很低。

zk-SNARK的解決方案則不需要雙方反复確認“是或不是”，而是提前先搞一個「可信初始化」，從而生成公共參考字符串（CRS），然後所有的示證者都可以直接訪問它。

打一個通俗的比方。交互式證明相當於老師要批改每一個考生的每一道考題，效率很低，但正確答案只掌握在老師這邊，基本不存在有人偷答案的情況。

但zk-SNARK直接上傳了正確答案，然後讓考生自己對答案（把自己解的某道題發送給後台系統，就會直接得到正確與否的最終結果），非常高效，代價是答案有可能被洩露，雖然這個答案系統是經過加密的。

因此針對zk-SNARK容易被洩露的問題，有很多圍繞著提高「答案系統」安全性的解決方案，不同採用zk-SNARK的項目方的方案各有不同。如zCloak錢包是直接把算法以純文本的形式發給用戶，用戶下載到本地去做計算（所以即使斷網也依舊能完成工作）。

zk-STARK：概率證明+緩衝時間

zk-STARK是成立於2017年12月的StarkWare團隊開發的，它是針對zk-SNARK的替代解決方案。研發歷時一年多，經過無數次迭代才徹底搞定，已經到2019年了。

zk-SNARK是提前生成公共參考字符串，用非交互式證明的方式提高了證明效率，但也留下了隱患。 zk-STARK雖然是交互式證明，但它是一種巧妙的交互式證明——通過哈希函數碰撞（一種概率證明的方式）來保證安全性，因此也實現了高效證明。

這個思路直接借鑒自2015年推出的交互式預言機證明（IOP）技術，簡單來說是先把問題用密碼學的方式打碎，然後驗證者隨機向示證者提出幾個的問題，如果幾輪下來，示證者都給出準確的回答，那麼驗證就通過了。

所以zk-STARK同樣也只需要極少的計算資源就可以完成證明，但是它更安全，不存在答案洩露的風險。並且為了進一步確保安全性，還設置了爭議時間延遲（DTD）來作為緩衝。

  zk-SNARK和zk-STARK的區別

1.透明度

zk-SNARK的公共參考字符串通常由一個小團體來保管，因此有洩露的可能性，從而被惡意利用，如創建虛假證明。

zk-STARK則直接利用生成隨機性的參數來驗證，不需要任何第三方的「答案系統」，因此透明度大幅提高。

2.抗量子計算機攻擊

zk-SNARK未來會輕易被量子計算機暴力破解（通過分解計算從公鑰中提取私鑰）。當然，量子計算何時到來還是個問題。

zk-STARK採用的是哈希函數碰撞的方法來證明，理論上量子計算機的暴力破解是無效的。

3.可擴展性

zk-SNARK的證明在鏈上更具可擴展性（生成的證明的字節數更小），zk-STARK在純鏈上似乎沒有優勢。

StarkWare官網宣稱是最快的，可能是因為zk-STARK允許鏈下進行大規模計算和存儲，然後在鏈上完成驗證，因此可擴展性顯著提升（甚至可以提高10倍），而成本顯著降低。

總結

zk-SNARK技術被採用得最多，尤其是在以太坊擴容場景中。 zk-SNARK主要是圍繞「隱私保護」去做身份、支付、DeFi、資產證明等各種應用。

zk-STARK雖然也在發展之中，但技術尚不成熟，至少在通用性上受限，所以我們看到大多是圍繞著「可擴展性」去做各種應用。

不過據StarkWare團隊在2022年的說法，已經解決了可擴展性，該把目標瞄準「隱私保護」了，而方式是通過StarkNet的Layer3以及Layer4中以分形分層的方式解決，這似乎與zk-STARK證明系統本身沒有直接關係。

至少就目前而言，大多數以太坊Layer2項目(zkSync、Aztec、Loopring、Scroll等)都採用的是zk-SNARK技術路線，除了通用性上受限，還有一個原因是普遍反饋說zk-STARK的開發難度過大……

當然長遠來看，zk-STARK可承載的運算量更大，可能更有前景。

總的來說，zk-SNARK和zk-STARK的關係，‍有些像Optimistic rollups和ZK rollups的關係，前者短期利好，後者長期利好。