一文读懂零知识证明

1.什么是零知识证明？

零知识 (ZK) 证明是一种加密协议，使一个人（证明者）能够向另一个人（验证者）证明某个陈述是真实的，而无需透露该有关陈述本身的任何细节。

研究人员 Shafi Goldwasser、Silvio Micali 和 Charles Rackoff 在 20 世纪 80 年代初首次提出了这一概念。 零知识证明的主要目标是向验证者证明某个陈述是真实的，而无需透露该陈述真实性以外的任何信息。

一个好的零知识证明应该满足以下三个标准：

1. 完整性：如果一个陈述是真实的，且证明者和验证者都遵守协议，验证者认可证明的概率将很高。
2. 合理性：如果一个陈述不真实，则证明者不应能够说服验证者相信该陈述的对立面，极不可能的情况除外。
3. 零知识：即使在与证明者互通之后，验证者也只了解陈述的真实性，而对秘密的具体内容一无所知。

零知识证明有不同类型：

交互式零知识证明

交互式零知识证明需要证明者和验证者之间来回通信。

非交互式零知识证明

非交互式零知识证明提供了可以在单个步骤中验证的紧凑证明。

统计性零知识证明

统计性零知识证明提供了计算的可靠性和较小的错误概率。

知识证明（PoK）

知识证明是零知识证明的一个子类，它表明证明者拥有与陈述相关的特定知识。

混洗证明和范围证明

混洗证明和范围证明用于电子投票和隐私保护交易。

Sigma 协议

Sigma 协议也是一种零知识证明，涉及三个步骤：承诺、挑战和响应。

Bulletproof

Bulletproof 旨在为大量值提供高效的范围证明。

2.零知识证明的工作原理是什么？

通过零知识证明，证明者可以说服验证者相信一个陈述的准确性，而无需透露有关陈述本身的任何信息。证明者和验证者在协议的多轮交互中进行交流。最终，验证者在不了解关于秘密本身的任何额外信息的情况下相信陈述的真实性。

我们用“三色问题”（也称为“图形着色问题”）来说明零知识证明的工作原理。

问题

如果你有一张地图，地图上的各个区域（顶点）通过线（边）连接。我们的目标是使用三种颜色中的一种来为每个区域着色，不能让两个相邻区域的颜色一样。你能否让别人相信你知道正确的着色方式，而无需说明给每个区域分配的实际颜色？

零知识证明协议作为解决方案

设置

证明者和验证者都了解该图（地图）的区域和连接方式。

陈述

证明者声称拥有所提供图的可靠的着色方式。

第一轮：承诺

证明者秘密地为每个位置随机选择颜色，而不公开具体颜色。证明者为验证者提供每个区域的一个加密承诺。验证者无法看到所承诺的具体颜色，因为它们就像被上了锁的盒子。

第二轮：挑战

验证者随机选择一个区域，并请求证明者打开该特定区域的承诺。证明者必须披露该区域承诺的颜色。

第三轮：回应

确定颜色后，证明者必须证明所显示的颜色是准确的。这需要显示相邻区域之间的颜色差异。验证者对回应进行查验以确保证明者正确遵循了规则。

迭代

第 2 轮和第 3 轮将使用随机选择的多个区域进行多次重复，以建立对证明者论断准确性的高度信任。

小结

如果证明者在每一轮都能定期产生有效的回应，验证者就会确信证明者确实具有有效的三色图着色方式，而无需知道实际使用的颜色是什么。

验证者通过对各个区域重复该过程，逐渐增加了证明者了解有效三色图着色的能力。然而，由于验证者在该过程中从未了解分配给每个区域的具体颜色，从而维持了零知识属性。

上述示例展示了如何使用零知识证明来说服他人相信某种解决方案，而对解决方案的具体内容保密，为增强各种应用中的隐私和安全性提供了一个有效的工具。

3.零知识证明有哪些应用？

零知识证明是一种非常有用的工具，在各个领域有多种用途，可以解决重要的隐私和安全问题。

在加密货币领域，零知识证明对于提高交易隐私和可扩展性至关重要。零知识证明实现了匿名交易，交易者无需透露交易细节或用户身份，隐私型加密货币 Zcash（ZEC）便采用了这种方法。

零知识证明可用于身份验证和访问控制，以证明用户知晓密码或加密密钥，而无需披露密码或密钥的具体信息，从而促进了对用户更加友好且安全的身份验证技术。

零知识证明也用于电子投票系统，允许投票人在不披露实际投票内容的情况下证明其投票的合法性，从而保护投票人隐私和选举过程的可信度。

零知识证明还可用于安全数据传输和验证，使一方能够在不公开数据本身的情况下证明私密数据计算的准确性。

零知识证明可以促进私密交易并维护用户匿名性，从而提高中央银行数字货币（CBDC）中的交易隐私。通过平衡中央银行数字货币交易的隐私和透明度，零知识证明可以在不披露交易细节的情况下对交易进行审计。

4.零知识证明能否与区块链平台集成？

零知识证明可以集成到区块链平台。实际上，零知识证明已经成功应用于各种区块链网络。它为提升区块链系统的效率、安全性和隐私提供了强大的技术手段。

当集成到区块链平台中时，零知识证明可以发挥多重作用：

隐私和保密

零知识证明实现了私密交易，用户可以在不泄露基本信息（如交易金额、发送者和接收者地址）的情况下执行交易。公开区块链上用户隐私的保护便依赖于零知识证明。

验证和审核

在不泄露真实数据或信息的情况下，零知识证明可用于验证特定计算或声明的准确性，从而保证数据的可靠性，并促进有效的审计过程。

可扩展性

零知识证明可以为复杂计算提供简洁的证明，从而提高平台的可扩展性，这有助于减少区块链上的计算和存储成本。

身份和认证

基于区块链的应用通过零知识证明进行安全身份验证和认证，可以保护用户隐私，安全性更高。

跨链互操作性

零知识证明有助于实现跨链通信和资产转移，同时通过促进各个区块链网络之间的互操作性来保护隐私。

5.零知识证明有哪些缺点？

零知识证明提供了隐私和安全优势，但它可能需要大量计算，且实施过程较为复杂。

开发和验证零知识证明可能需要大量资源和计算能力，对于更复杂的证明尤其如此。这可能会导致交易处理时间更长且计算工作量更大，从而提升区块链系统的扩展难度。

此外，零知识证明可能更加复杂，使协议难以审计和验证，从而引发人们对潜在安全漏洞或错误的担忧。此外，虽然零知识证明通过隐藏信息来提高隐私，但它们在某些情况下也可能促进非法活动，给监管合规性带来挑战。

零知识证明可能并不适用于所有用例或领域，因为它需要特殊的培训和经验才能正确实施。这可能会阻止其在诸多领域的广泛采用。

尽管零知识证明提供了有用的隐私和安全功能，但鉴于其固有的缺陷，我们需要在将其应用于特定系统或应用前仔细研究和评估相关的利弊。

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