零知識證明將如何重新定義區(qū)塊鏈的運作方式

用最簡單方式說透「精簡區(qū)塊鏈」實現(xiàn)方式和巨大價值。

關于零知識證明（ZKP）的技術類博客文章很多，最近我也寫了一篇文章，比較各種新的通用目的的 zk-SNARK。我發(fā)現(xiàn)，關于零知識證明的用例，很少有用非技術語言表述的文章。事實上，零知識證明不僅可用在隱私方面，還有許多其他用途。它功能如此豐富，甚至有可能重新定義區(qū)塊鏈的運作方式。

精簡區(qū)塊鏈，從GB壓縮到KB

區(qū)塊鏈的區(qū)塊可能會很大，而且其大小在不斷增長。這源于其最初的設計。我們也漸漸接受了這個現(xiàn)實。但是，Coda 項目最近發(fā)布的測試網(wǎng)卻不同。

首先，Coda的區(qū)塊鏈是固定大小的，且不會增長；其次，它只有22KB！即便是上世紀 80 年代的 8 位機家用電腦 Commodore 64 或 ZX Spectrum，也能把它塞進去。而且，與傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈相比，Coda 的安全性差不多，甚至更高。

類似但功能更多的「精簡區(qū)塊鏈」項目越來越多，比如 Mir 和 Starling（我本人也參與了 Starling 項目）。

這到底是如何做到的呢？

只要嘗試部署過一個區(qū)塊鏈節(jié)點，你就會知道這個過程有多痛苦：同步一個節(jié)點需要好幾個小時、甚至數(shù)天時間。區(qū)塊鏈如此之大，以至于大多數(shù)的家用計算設備的磁盤空間和帶寬都達不到基本要求。結果就是中心化。即便像以太坊這樣廣受歡迎的區(qū)塊鏈，其節(jié)點數(shù)量也就 10，000 個，大多數(shù)都托管在亞馬遜 AWS 上，由少數(shù)幾個實體所擁有。區(qū)塊鏈并不像許多人以為的那么去中心。

為什么同步一個區(qū)塊鏈要這么長時間呢？主要有兩個原因：

· 第一個原因很明顯：下載幾百 GB 或更多數(shù)據(jù)需要很長時間；

· 第二，下載完之后區(qū)塊鏈要完成驗證，因為惡意節(jié)點可能會向你發(fā)送不正確的數(shù)據(jù)。

若要驗證一個區(qū)塊鏈，必須從創(chuàng)世區(qū)塊開始重放（replay）整條鏈：執(zhí)行第一個交易，并確保計算出的狀態(tài)等于下載得到的狀態(tài)。然后轉(zhuǎn)到下一個交易，直到你把區(qū)塊鏈的所有交易都查一遍。這不僅耗時，也浪費資源。在你之前，成千上萬的節(jié)點做著完全相同的計算工作。

為什么要這么做呢？因為在傳統(tǒng)計算學里，要知道一個計算是否正確的執(zhí)行，唯一辦法就是重做一次這個計算。如果小規(guī)模的計算，那就還好，但像重放一條區(qū)塊鏈這種「慢運算」（slow calculation），情況就完全不同了。

可提高效率和帶寬的零知識證明

事實上，有一種方法可以低成本地驗證一個計算結果，而又無需重做該計算，那就是零知識證明（ZKP），其中最著名的可能要數(shù) zk-SNARK。

它是如何工作的呢？我們需要將區(qū)塊鏈的重放函數(shù)改寫為一個 zk-SNARK。這個 zk-SNARK 將輸出兩個東西：原初的輸出（就跟原來的重放函數(shù)一樣）； 一個很小的數(shù)學「證明」，證明這個結果計算正確。這個「證明」可以小到只有 200 字節(jié)（沒錯，還不到 1KB）。

這樣一來，我們就不需要所有（或是多臺）計算機跑一遍重放函數(shù)了。由一臺計算機去創(chuàng)建這個「證明」，其他不限數(shù)量的計算機可以在它們認為合適的時間再進行驗證。無論原初的計算要花費多長時間（即使是幾小時、幾天、甚至幾年都沒有關系），驗證卻只需幾毫秒即可搞定。這個「證明」可以通過線上分發(fā)，也可以存儲在 U 盤里，甚至可以印在 T 恤上。

如果有惡意節(jié)點更改了某個交易的余額，那么這個「證明」就會和結果不同，所有驗證者都會拒絕這個狀態(tài)。如果有惡意節(jié)點更改了 zk-SNARK 代碼，結果也會被拒絕。（有一個「第三參數(shù)」、一個公開共享的字符串，會把這個「證明」綁到這個 zk-SNARK 代碼。如果代碼被修改，那么這個「證明」和共享的字符串將不匹配，于是驗證者就會拒絕該結果。）

我們不再需要重做昂貴的計算，也不需要下載區(qū)塊鏈（因為我們已經(jīng)有了關于該區(qū)塊鏈存在且有效的數(shù)學證明）。你需要的，只是當前狀態(tài)（比如最后一個區(qū)塊），加上能夠證明當前狀態(tài)是一個有效區(qū)塊鏈的一部分的少量「證明」，再花費幾毫秒驗證一下結果。

遞歸性的組合

驗證一個「證明」的速度很快，但創(chuàng)建這個「證明」怎樣呢？其實時間不固定，與傳統(tǒng)計算相比，在計算和和內(nèi)存方面它的效率要低不少。實際上，雖然一個重放函數(shù)的 zk-SNARK 版本聽起來不錯，但在實踐中這個解決方案并不好。和以往的非 zk-SNARK 的重放函數(shù)相比，它需要更大的內(nèi)存，速度甚至更慢。

不過，還有另一個優(yōu)雅的方案。我們發(fā)現(xiàn)，用一點點小技巧，其實可以使用遞歸性 zk-SNARKs 。有了遞歸，我們就不必從頭開始驗證這個區(qū)塊鏈，可以在前一個狀態(tài)的基礎上來構建。速度會快得多。

需要注意的是，遞歸性 zk-SNARK 的效率依然不如非遞歸的 zk-SNARK ，不過，最近 zk-SNARK 的構造取得了長足的進步。

一個遞歸性的 zk-SNARK 程序，會用屬于「前一個狀態(tài)」（previous state）的「證明」和新的交易作為輸入。它會（用已被提供的證明）驗證前一個狀態(tài)，并檢查新狀態(tài)中的交易是否有效。如果沒問題，它會輸出新的狀態(tài)和一個「證明」。

一旦新的狀態(tài)和「證明」被分發(fā)到網(wǎng)絡中，所有節(jié)點可以直接丟棄先前的狀態(tài)，這么做不會有任何負面影響。新的節(jié)點只需要下載最新的狀態(tài)和「證明」即可。這也就是Coda、Mir 和 Starling 這些項目可以實現(xiàn)小的、大小固定的區(qū)塊的秘訣。

在上面說的這個例子里，只需要一個節(jié)點來創(chuàng)建新的區(qū)塊和「證明」。顯然，我們沒必要讓同一個節(jié)點來生成所有的區(qū)塊。舉個例子，可以從許多節(jié)點中隨機選擇一個節(jié)點（用「可驗證隨機函數(shù)」，眾多節(jié)點甚至可以隨機自我選擇而不會有欺騙行為）。我們甚至可以做得更好：將區(qū)塊的生成邏輯分為多個 zk-SNARK。

最終結果就是：區(qū)塊生產(chǎn)者不需要完整的區(qū)塊鏈，它只需要前一個狀態(tài)。這會讓區(qū)塊大小降到多少呢？一個常規(guī)的 Coda 節(jié)點僅需要 22 KB 即可存儲「證明」、當前狀態(tài)以及某個賬戶余額的 Merkle 路徑。只需要 22KB，一個節(jié)點就能驗證整個區(qū)塊鏈、查詢余額并創(chuàng)建交易。但是，如果要生成區(qū)塊，這個節(jié)點需要更多：它需要先前狀態(tài)的全部余額的 Merkle 樹。而 Merkle 樹的大小取決于錢包的數(shù)量。如果 Coda 擁有和以太坊一樣多的錢包，那么，Coda 區(qū)塊生產(chǎn)者也只需要大約 1 GB 的容量。而以太坊上最小的完整節(jié)點是 230 GB（2019 年 12 月的數(shù)據(jù)）。差距巨大。

利用零知識證明，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡將有更多活躍節(jié)點，這就提升了去中心化程度，并讓各種程序有更多可能與區(qū)塊鏈進行交互，而無需像 Infura 或 Metamask 這樣的方案。想想看，99% 的新用戶在安裝 Metamask 時選擇了放棄。所以，這種變化將帶來巨大的影響。
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