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采用零知识证明的项目

交易隐私

Tornado cash 混币器

算法:zk-SNARKs

背景

Tornado cash 是一个去中心化加密货币混合服务平台,使用智能合约来接受来自一个地址的代币存款,并允许他们从另一个地址提款。这些智能合约作为混合所有已存资产的池。一旦资金通过一个全新的地址从这些池中提取,链上源和目的地之间的链接已断开。然后将提取的加密资产匿名化。tornado cash 中通过将 merkle treezk-snarks 结合使用实现存取款地址分离,从而实现匿名传送代币。

使用

Tornado cash 允许你将固定金额的 ETH、DAI、USDC、USDT 存入合约。存款时会得到一个备份代码,用于以后提取资金。

  • 为什么用固定金额?

固定金额容易混入更大匿名集。如图有426份 0.1 ETH 的存款,你存入 0.1 ETH 后就成为了427分之一。

  • 如何保障安全(不被追踪)?

安全性取决于你所处匿名集的大小和存提款频率。匿名集越大,存提款越频繁越安全。如果你有一个30,000人的集合,但几个月没有存款/提款。现在你来存款,等了一天又取款,要追踪资金到你身上将是非常容易的。

技术

对merkle tree的使用:

主要用于存取款操作,进行存款操作时会创建两个随机数,将这两个随机数通过 Pedersen 哈希处理后生成一个字符串 commitment,将此字符串作为叶子节点插入默克尔树中,计算出 merkle 根的值后将 merkle 根返回给用户,作为之后取款时的验证凭证。

tornado cash 中的 merkle tree 是一颗二叉树,阅读其代码可知,re-hashing 操作的次数控制在 log(n) 以内,当原始树中叶子节点个数是奇数时插入后的树没有孤儿,原始树中叶子节点个数时偶数时插入后的树有孤儿,孤儿在第一个数据块。

如下图所示,原始树中有两个叶子节点 a,b,当插入新节点 c 时,判断叶子节点个数,为偶数,c 与0值进行 hash 计算得到 Hc,叶子节点个数除2,得到叶子节点的父节点个数1,判断节点个数为奇数,将 HcHab 连接并计算 hash 值 Habc ,此时 Habc 为这颗 merkle 树的根,用户将这个根保存作为之后取款的凭证。

对zk-snarks的使用:

tornado cash 中取款操作需要用户提供一个 note,如下图

这个 note 是由 secretnullifier 通过 zk-snarks 电路在链下计算生成的,secretnullifer 是在链下随机生成的31字节长度的随机数。

tornado 中,存款操作传入的参数 commitment 是由 secertnullifer 串联产生一个62字节的数,通过Pedersen 哈希处理,生成的输出表示 Baby Jubjub 椭圆曲线的一个元素,编码为 32 字节大端整数。之后将 commitment 插入 merkle 树中得到 merkle root

在 tornado cash 中,取款操作时需要输入三个值,分别是 proofrootnulifierHashproof 为存款时在链下计算出的 note 值,root 为存款时获得的 merkle root,nulifierHash 为生成的随机数。

nulifierHash作用是为了防止已经使用过的 note 再次使用,在进行证明 proof 之前,先确定传入的 root 值是否在 merkle 树中,之后验证 proof 是否正确,通过电路计算出一个 root,将计算出的 root 与取款时输入的 root 比较是否一样,一样的话,将 nullifierHash 记录为 true,证明我们已经领过款。

总结

tornado cash 中将 merkle tree 运用到零知识证明中,零知识证明中 proof 实际捆绑了凭证 note,用户自己的 merkle rootnullifierHash,资金接收者地址。取款合约中确保 nullilierHash 是未使用过的,以及用户提供的 Root 确实是自己知道的代表完整记录的 Root。然后,合约将自己验证过的输入 nullifierHashroot,以及用户方输入的 proof recipient fee 等输入 Verifier 合约。用零知识证明 proof 提供的路径确实能联通用户提供的 nullifiersecret 生成的 commitment 和提供的 root,用户是这个 commitment 的拥有者。

由于政策监管,Tornado Cash 现已被封杀停止使用,一代天王就此陨落...

Zcash 匿名币

算法:zk-SNARKs

背景

Zcash 诞生很早,代码是基于比特币改的,差异主要体现在两者匿名性。Zcash 隐藏了交易者的信息,包括交易双方的地址和交易金额,难以追溯交易链。匿名版的 UTXO

使用

交易转账时,发送方的币会先进入混币器,与其他交易来源的币混合在一起,然后随机拆分出对应金额,发送给接收方。交易记录不公开,通过密钥可查交易记录。

技术

Zcash 的发展大体经过了 OverWinter -> Sprout -> Sapling 这几个阶段,随着业务和功能的逐渐丰富,密钥系统也越来越复杂。

现在 Zcash 的交易结构十分复杂,具体可参考 Zcash 图解Transaction结构

如何实现隐私

所谓隐私,就是要隐藏一笔交易的发送方(from)、接收方(to)、金额(amount)

  • 隐藏发送方

发送方可以随机生成密钥对,然后对交易签名,这样就不会对外暴露固定的公钥。

  • 隐藏接收方

接收方的Payment Address只有发送方知道,广播时对信息进行处理,矿工无法知晓地址信息,且无法在区块链浏览器中查询;引入了“多样化”地址,可以给每个发送方生成不同的地址,从而混淆接收方的信息。

  • 隐藏金额

矿工只需要通过零知识证明验证交易的input和output是平衡的,而不需要查询发送方的余额以及转账金额。

以太坊扩容

随着以太坊链上活动越来越多,导致越来越堵,为了保证 L1 的 安全性去中心化,以太坊转向了一条以 Rollup 为中心的扩容路线。

把我们今天在以太坊上进行的大部分交易执行(DeFi、NFTs 等)都转移到 Rollup 上进行,而不是在以太坊 L1 本身;Rollup 继承了以太坊 L1 的安全性,且由于以太坊 L1 处理了最困难的部分,Rollups 得以专注成为最好的执行层。

zk Rollup

Optimism 和 Arbitrum 二者都是基于 Optimistic Rollup 技术的 Rollup 网络;另一类 Rollup 网络则是基于 ZK-Rollup 技术,如 zkSync 和 StarkNet

由于 Optimistic Rollup 要提高资本效率就一定会降低安全性,所以 ZK-Rollup 更吸引流动性提供者。

ZR比OR更难,但长远来看,若零知识证明能够实现对于一般交易有效的生成证明的突破,ZR的优势更巨大。

zkSync

算法:zk-Snark

背景

备受瞩目的以太坊 L2,主网 1.0 已发布,2.0 即将发布

使用

体验上同以太坊,只是交易速度更快,手续费更低。创新点是支持 ERC20 代币支付手续费,也就是说账户里没有以太币也可以发起交易。

技术

zkSync的电路设计很有意思。众所周知,一个区块中会打包不同的交易,如果只是针对一个个交易进行电路的证明,电路大小会变化。zkSync将交易切割成更小的“通用电路“。一个区块中包含固定的”通用电路“,间接支持多个交易。交易证明基于 Plonk 证明系统。

代码设计可以参考 zkSync源代码导读

电路设计可以参考 深入理解zkSync电路

StarkNet

算法:zk-Stark

背景

明星团队,由世界级密码学家和科学家组成。核心成员是 Zcash 的前 CTO 。多年零知识证明领域研究。

技术

Stark 不如 Snark 成熟,且难与 EVM 兼容。StarkWare 创建了新的 Cairo 语言。

StarkNet 技术解读资料太少了,要研究可能主要参考 zk-Stark 和项目官网吧 🥲

zkEVM

零知识证明与EVM的结合

各方面都有重大意义:

  • 对于 Rollup 扩容:zkEVM 可以为批量交易生成证明从而在主网快速验证
  • 对于 Dapp 开发者:无需学习 zk 硬核知识或新的编程语言就可以编写有 zk 属性的合约
  • 对于 zkEVM 开发者:无需为网络上的合约编写不同电路逻辑,而是仅需维护 zkEVM

Polygon、zkSync、StarkNet 都是这方面的明星项目。

各种 zkEVM 可参考 清晰理解zkEVM、EVM 兼容性和Rollup