ARK:科普 | 如何利用零知识证明改造区块链_Shihtzu Exchange

已经有许多技术博客发表了关于零知识证明（ZKP）的文章。最近，我自己写了一篇文章，比较了新的通用型 zk-SNARK。我注意到，用浅白的语言来解释 ZKP 用例的文章还寥寥无几。其实，ZKP 不仅仅可以用于保护隐私，由于其丰富多样的功能，ZKP 甚至可以改变区块链运行的方式。

因为区块链的数据规模会随着新区块的产生而不断增长，所以其规模可能会变得很大。这是设计使然，我们已经开始接受这一现实。然而，最近上线的 Coda 测试网却有些与众不同。首先， Coda 的区块链数据规模恒定，并不会增长。其次，它的整条区块链大小只有 22kb！这意味着哪怕你用一台上世纪 80 年代的 Commodore 64 或者 ZX Spectrum 来跑节点也毫不费力。然而，相较于传统的区块链而言，Coda 的安全性有过之而无不及。还有越来越多的项目正在朝着这方面发展：Mir 和 Starling（我是 Starling 的一员） 将在不久后启动与 Coda 相似但功能更加丰富的 “简洁的区块链”。那它们到底是怎么做的呢？

美国说唱歌手Megan Thee Stallion与Cash App合作发布比特币科普视频:美国说唱歌手Megan Thee Stallion与由Square开发的移动支付服务Cash App合作发布了一段名为“Bitcoin for Hotties”的视频。该视频从她的角度解释了什么是比特币，为什么比特币有价值等内容。Megan Thee Stallion在Instagram上拥有超过2410万粉丝，在 Twitter上拥有640万粉丝。（Bitcoin News）[2021/8/8 1:41:10]

任何一个运行过区块链节点的人都经历过这样的痛苦：同步一个节点需要耗费几个小时甚至数天。区块链的数据量往往非常巨大，以至于绝大多数家庭的电脑硬盘和带宽都达不到运行节点的要求。这就导致了中心化。即便是像以太坊这样广受欢迎的区块链，全网也只有大约 10,000 个节点。其中大部分节点还是被托管在 AWS 上的，并且归属于少数实体。区块链并没有许多人认为的那样去中心化。

IMF今日发布的加密货币科普视频实为两年前旧闻，且存在诸多疏漏:国际货币基金组织IMF今日在推特上发布了一条关于加密货币的科普视频，这段时长两分钟的视频最初发布于2018年6月。该视频称加密货币是“货币进化的下一步”，但没有特别提到DLT、区块链，甚至是代币名称等术语。BTC、XRP和ETH只出现在说明加密交易的图形中。尽管这段视频到目前为止已经获得了超过13.7万的点击量和2900个赞，但来自加密社区的许多反应都是批评的，他们指出了信息中的漏洞和似乎具有误导性的措辞。

Reddit用户nanooverbtc称：“他们犯了很多错误，比如把私钥称为密码。”该视频也没有讨论挖矿或加密货币供应。Kraken策略师Pierre Rochard等知名人士表示：“可证明的稀缺性是比特币有趣的原因，你忘了提这一点。”（Cointelegraph）[2020/8/24]

为什么同步一条区块链要花这么长的时间？有两个原因。第一个原因显而易见：下载数百 GB 甚至更多的数据需要耗费一段时间。其次，当节点下载完数据后，还需要对整条区块链进行验证，因为可能会有恶意的节点给你发送错误的数据。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

要想验证一条区块链，必须从创世区块开始重放：执行第一笔交易，确认计算出的状态与下载到的状态一致。然后验证下一笔交易，直到你验证完整条区块链中所有的交易。这样做既耗时费力；而且在你之前，已经有成千上万的节点执行过同样的计算。

动态 | 链客社区联合北京交通广播推出区块链技术科普节目:12月11日15:15—16:00，区块链技术社区——链客区块链技术社区将联合北京交通广播FM103.9从零开始为大众科普解码区块链技术，蜻蜓FM及北京广播网同期进行全球直播。首期做客嘉宾为链客区块链技术社区创始人郄建军和百度区块链产品负责人于雅楠。[2019/12/11]

但这样做是必要的，因为在传统的计算模式中，知道计算是否正确的唯一方法就是重新再算一次。这对于小型计算来说还好，但对于比较大的计算量而言就不太友好了，比如重放区块链。

事实证明，有一种技术可以在无需重新计算的前提下降低验证计算结果的成本：零知识证明（ZKP），而 zk-SNARK 可能是所有零知识证明技术中最出名的。

所以到底怎么结合呢？我们必须将区块链的重放函数用 zk-SNARK 重写一遍。zk-SNARK 将输出两样结果：初始输出（就像初始的重放函数会输出的结果一样）和一个小型的数学证明，用于证明该计算结果是正确的。这个证明可以小到只有 200 Bytes(是的，你没看错，不到 1KB)。

动态 | 浙江卫视节目科普支付宝区块链防伪溯源产品:昨日，在浙江卫视播出的科普综艺栏目《智造将来》现场，支付宝首次展示了支付宝区块链防伪溯源产品，以接地气的方式公开向大众展示区块链在生活中的应用。[2019/3/4]

无需让所有的（甚至多台）计算机都执行重放函数。只需要有一台计算机创建证明，其它所有计算机都可以按自己的需要验证结果。验证只需要花费几毫秒，不论初始的计算花了多长时间（甚至是几个小时、几天或几年，都无关紧要）。这些证明可以发布到网络上、通过 U 盘传播，甚至打印在 T 恤上。

如果有一个恶意的节点改动了余额，那么其证明就会和结果不匹配，所有验证者都会拒绝该状态。如果恶意的节点对 zk-SNARK 的代码动了手脚，其结果也会被其它节点拒绝。（系统中还存在第三个参数 —— 一个公开的共享字符串，它将证明和 zk-SNARK 代码绑定在了一起。一旦代码被动了手脚，其证明就会和和共享字符串匹配不上，于是验证者就会拒绝该计算结果。）

我们已经摆脱了对重复进行昂贵计算的依赖，同时也不再需要下载整条区块链了（因为我们已经有了数学证明来证明区块链的存在及有效）。你只需要下载当前的状态（例如最新的区块）加上一个很小的证明，用于证明当前状态是有效区块链的一部分，然后花费几毫秒来验证计算结果。

验证证明的过程非常快，可创建证明的过程呢？事实证明，创建证明所耗费的时间并不是固定的，相较于传统的计算而言，该过程在计算和内存方面要低效得多。事实上，尽管采用了 zk-SNARK 的重放函数听上去很美好，但它实践起来并不是一个优秀的解决方案。它会消耗巨大的内存，甚至比最初的非 zk-SNARK 重放函数还要慢。

但如今有了另一种优雅的解决方案。通过一些小技巧，我们可以使用递归的 zk-SNARK。通过递归，我们不再需要从头开始验证区块链，而可以在上一个状态的基础上构建新的状态。这要快得多。请注意，递归的 zk-SNARK 并没有非递归的 zk-SNARK 效率高，但最近 zk-SNARK 构建已取得了巨大的进步。

递归的 zk-SNARK 程序使用上一个状态、该状态的证明以及新的交易作为输入。它（使用提供的证明）验证上一个状态，并检查新状态中的交易是否有效。如果有效，它将输出新状态及其证明。

一旦新状态和证明分发到了网络中，所有节点都可以直接抛弃旧的状态，而不用担心产生任何负面后果。新节点只需要下载最新的状态及其证明就可以了。这就为什么 Coda、Mir、和 Starlin 能实现数据规模恒定的区块链。

在我们上一个例子中，只有一个节点会创建新的区块及证明。很显然，并非所有区块都必然是同一个节点产生的。例如，可以从众多节点中随机选择一个节点来创建区块（如果采用了可验证的随机函数（Verifiable Random Function），节点们甚至可以在内部选出节点来出块，且无法作恶）。我们甚至可以做的更好。我们可以将区块生产的逻辑划分为多个 zk-SNARK。

最终的结果就是区块生产者不需要再保存整条区块链，而只需要保存上一个状态。这种解决方案可以小多少呢？一个常规的 Coda 节点只需要占用 22KB 的空间用于存储证明、当前状态和指向一个余额的默克尔路径。通过 22KB 的存储，节点可以验证整条区块链、查询余额、以及创建交易。但要想生产区块，节点需要做更多的操作：它需要上一个状态的全余额默克尔树。默克尔树的大小取决于钱包的数量。即便 Coda 拥有的钱包数量和以太坊一样多，一个 Coda 的区块生产者仍然只需要 1GB 大小的存储空间。而最小的以太坊全节点则需要 230GB（截止 2019 年 12 月）。这是一个巨大的差距。

通过这种方式，网络中会有更多活跃的节点，进而增加其去中心化程度，并为与区块链交互的程序开辟了许多新的可能性，而不用再借助诸如 Infura 或 Metamask 等解决方案。考虑到 99% 的用户在安装 Metamask 之前就已经放弃了，这应该会带来巨大的影响。

感谢 Daniel Lubarov (Mir)、Shane Vitarana、Stan van de Burgt、Taariq Lewis、和 Dmitriy Berenzon 对本文的校对。

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