ZK-SNARKs и ZK-STARKs: всестороннее техническое сравнение

Доказательства с нулевым разглашением (ZKPs) стали трансформационными технологиями, решающими две важнейшие проблемы блокчейна: конфиденциальность и масштабируемость. В этом техническом анализе мы рассмотрим zk-SNARKs и zk-STARKs — две ведущие системы доказательства с нулевым разглашением — сравнив их архитектуру, характеристики производительности и практическое применение.

Понимание доказательств с нулевым разглашением

Доказательства с нулевым разглашением позволяют одной стороне проверять действительность транзакции без раскрытия дополнительной информации. Чтобы ZKP был эффективным, он должен удовлетворять трем основным критериям:

• Полнота: Если утверждение истинно, честный проверяющий будет убежден честным доказывателем
• Звуковость: Если утверждение ложное, ни один мошеннический доказатель не может убедить честного проверяющего
• Нулевое разглашение: Верификатор не узнает ничего, кроме обоснованности утверждения

ZKP бывают двух основных форм:

• Интерактивные ZKPs: Требуется несколько раундов связи между доказывающим и проверяющим
• Неинтерактивные ZKPs: Требуется только один обмен информацией для верификации

Непрерывные ZKP, особенно zk-SNARKs и zk-STARKs, приобрели популярность в блокчейн-приложениях благодаря своей эффективности и потенциальной практической реализации.

Техническая основа zk-SNARKs

"Нулевые знания сжатых неинтерактивных аргументов знания" (zk-SNARKs) были введены в 2012 году исследователями Эли Бен-Сассон, Алессандро Кьеза, Кристиной Гармэн, Мэттом Гриным, Иэном Миерсом и Эраном Тромером. Эти доказательства обеспечивают исключительную эффективность благодаря:

• Сжатие: Компактные размеры доказательства (обычно 100-200 байт)
• Неинтерактивность: Диалог между доказывающим и проверяющим не требуется
• Быстрая проверка: Проверка требует минимальных вычислительных ресурсов
• Криптографическая безопасность: Основана на парных эллиптических кривых

Основное техническое преимущество zk-SNARKs заключается в их эффективности проверки. Они генерируют небольшие доказательства, которые можно быстро проверить, что делает их подходящими для блокчейн-сред, где вычислительные ресурсы ограничены и минимизация требований к хранению данных в цепочке критически важна.

Техническая архитектура zk-STARKs

"Нулевое знание масштабируемые прозрачные аргументы знания" (zk-STARKs) представляют собой техническую эволюцию в нулевых доказательствах, введенную в 2018 году Эли Бен-Сассон, Иддо Бентов, Йинон Хореши и Михаилом Рябцевым. Их архитектура предоставляет:

• Масштабируемость: Превосходная производительность при работе с большими наборами данных
• Прозрачность: Нет необходимости в надежной настройке
• Повышенная безопасность: постквантовое сопротивление благодаря устойчивым к коллизиям хеш-функциям

zk-STARKs позволяют выполнять вычисления и хранить данные вне цепочки с проверкой в цепочке, позволяя системам обрабатывать сложные вычисления вне основной блокчейна, при этом сохраняя криптографические гарантии корректности.

Техническое сравнение: zk-SNARKs против zk-STARKs

| Технические параметры | zk-SNARKs | zk-STARKs | |---------------------|-----------|-----------| | Масштабируемость | Ограниченная масштабируемость для больших наборов данных | Превосходная масштабируемость за счет вычислений вне сети | | Надежная настройка | Требуется первоначальная доверенная церемония настройки | Не требуется доверенная настройка | | Размер доказательства | Компактный (100-200 байт) | Большой (обычно килобайты) | | Время проверки | Быстрая проверка | Более ресурсоемкая проверка | | Квантовое сопротивление | Уязвимость к атакам квантовых вычислений | Устойчивость к атакам квантовых вычислений | | Криптографическая база | Эллиптическая криптография | Хеш-функции, устойчивые к коллизиям |

Анализ масштабируемости

zk-STARKs демонстрируют превосходные характеристики масштабируемости при выполнении крупномасштабных вычислительных задач. Их архитектура позволяет разработчикам выполнять сложные вычисления вне цепи и генерировать доказательства, которые могут быть эффективно проверены в цепи. Это делает их особенно ценными для приложений, требующих интенсивной обработки данных.

В отличие от них, zk-SNARK сталкиваются с проблемами масштабируемости при обработке больших наборов данных, поскольку им требуются значительные вычислительные ресурсы для генерации доказательств, когда базовые вычисления становятся более сложными.

Соображения по модели доверия

Требование надежной настройки представляет собой одно из самых значительных технических отличий между этими системами:

• zk-SNARKs: Требуют церемонии многопользовательских вычислений для генерации публичных параметров. Если эти параметры будут скомпрометированы, безопасность всей системы может быть подорвана.
• zk-STARKs: Устраните требования к доверенной настройке, используя публично проверяемую случайность, что устраняет эту потенциальную уязвимость безопасности.

Характеристики производительности

С точки зрения производительности:

• zk-SNARKs преуспевают в: Эффективность размера пробного материала и скорость проверки
• zk-STARKs превосходят в: Эффективности генерации доказательств для сложных вычислений и бездоверительности

Техническая прозрачность

zk-STARK обеспечивают повышенную прозрачность благодаря публично проверяемому процессу настройки. Это позволяет любому участнику независимо проверить целостность всей системы доказательств, не полагаясь на предположения о доверии.

Учет при реализации

При реализации систем доказательства с нулевым раскрытием разработчики должны учитывать несколько технических факторов:

1. Вычислительная сложность: Оцените масштаб вычислений, которые потребуют проверки
2. Требования к безопасности: Оцените потребности в квантовой устойчивости и ограничения модели доверия
3. Ограничения ресурсов в цепочке: учитывайте затраты на газ и эффективность использования пространства в блоке
4. Требования к скорости верификации: Определите, является ли быстрая верификация приоритетом

Для приложений, придающих приоритет минимальному размеру доказательства и быстрой проверке, zk-SNARKs могут быть предпочтительнее, несмотря на их требование к доверенной настройке. Для приложений, где масштабируемость, прозрачность и квантовая устойчивость имеют первостепенное значение, zk-STARKs предлагают убедительные преимущества.

Технические приложения

Обе технологии находят применение в экосистеме блокчейна:

• Решения для обеспечения конфиденциальности: Конфиденциальные транзакции и верификация личности
• Улучшения масштабируемости: решения Layer-2 rollup для увеличения пропускной способности транзакций
• Компьютерная целостность: Проверяемые вычисления для сложных операций
• Доступность данных: Сжатые доказательства состояния блокчейна

Структура технических решений

Оптимальный выбор между zk-SNARKs и zk-STARKs зависит от конкретных требований применения:

• Выбирайте zk-SNARKs, когда: Эффективность в блокчейне и компактные доказательства являются приоритетом, а риски доверенной настройки приемлемы.
• Выберите zk-STARKs, когда: Масштабируемость для сложных вычислений, прозрачность и квантовая стойкость являются важными.

Обе технологии продолжают развиваться, при этом продолжаются исследования, направленные на устранение их соответствующих ограничений и расширение их потенциального применения в экосистеме блокчейна.

Будущие технические разработки

Исследования продолжают развивать обе технологии. Текущие разработки сосредоточены на:

• Сокращение времени генерации доказательств для zk-SNARKs
• Минимизация размера доказательства для zk-STARKs
• Создание гибридных систем, которые используют преимущества обоих подходов
• Оптимизация реализации для конкретных сценариев использования

По мере того как эти технологии развиваются, они, вероятно, будут играть все более важные роли в решении основных проблем блокчейна, связанных с конфиденциальностью и масштабируемостью.