数字货币:如何利用零知识证明改造区块链_ODA

编者按：本文来自：以太坊爱好者，作者：RonaldMannak，翻译&校对:曾汨&阿剑，Odaily星球日报经授权转载。已经有许多技术博客发表了关于零知识证明的文章。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。首先：简洁的区块链，从GB到KB

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Commodore64或者ZXSpectrum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？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。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。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。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。利用ZKP改善效率及带宽利用

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，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200Bytes(是的，你没看错，不到1KB)。无需让所有的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。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。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。你只需要下载当前的状态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。递归组合

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，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。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DanielLubarov(Mir)、ShaneVitarana、StanvandeBurgt、TaariqLewis、和DmitriyBerenzon对本文的校对。

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