零知識證明的技術路徑之爭：zk-SNARK和zk-STARK誰更優？

　　Crypto 行業被廣泛關注的零知識證明（Zero—Knowledge Proof）技術，並非是這幾年剛冒出來的新技術，而是在 1980 年就被數學家 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 提出。

　　零知識證明涉及一系列步驟，可以實現密碼學中的「可用而不可知」。

　　而區塊鏈有著公開透明、不可篡改等特徵，意味著加密投資者的鏈上資產及交易記錄是沒有隱私可言的，於是零知識證明技術被引入了區塊鏈，當中以 zk-SNARK 和 zk-STARK 最為關注。

　　zk-SNARK 被專案方採用得最多，zk-STARK 則被密碼學專家認為優於 ZK-SNARK。那麼綜合技術與實際應用，二者誰更優？

zk-SNARK：簡潔 + 非交互性

　　Alessandro Chiesa 等人在 2012 年開發了 zk-SNARK 協議，這是一種簡潔化、非互動式的零知識證明技術，全稱是 zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge，可以拆解成三部分來理解：

　　zero-knowledge：

　　零知識證明，在不暴露隱私情況下向對方證明一件事情，讓資料「可用而不可知」。

　　succinct：

　　簡潔性，要證明的東西佔用的空間很小，而且可以快速驗證（幾毫秒）。

　　non-interactive：

　　非交互性，意味著證明者和驗證者之間不需要有交集即可快速地得到驗證結果。

　　zk-SNARK 的簡潔性和非交互性，是相對于傳統的零知識證明方案而言的。

　　簡單來說，傳統方案是互動式證明，即示證者（宣稱某一命題為真）和驗證者（確認該命題確實為真）之間反復確認，你可以理解為示證者不斷向驗證者詢問「是或不是？」，然後驗證者不斷給出回答，直到最後碰出一個正確答案來，所以效率很低。

　　zk-SNARK 的解決方案則不需要雙方反復確認「是或不是」，而是提前先搞一個「可信初始化」，從而生成公共參考字串（CRS），然後所有的示證者都可以直接訪問它。

　　打一個通俗的比方。互動式證明相當於老師要批改每一個考生的每一道考題，效率很低，但正確答案只掌握在老師這邊，基本不存在有人偷答案的情況。

　　但 zk-SNARK 直接上傳了正確答案，然後讓考生自己對答案（把自己解的某道題發送給後台系統，就會直接得到正確與否的最終結果），非常高效，代價是答案有可能被洩露，雖然這個答案系統是經過加密的。

　　因此針對 zk-SNARK 容易被洩露的問題，有很多圍繞著提高「答案系統」安全性的解決方案，不同採用 zk-SNARK 的專案方的方案各有不同。如 zCloak 錢包是直接把演算法以純文字的形式發給用戶，用戶下載到本地去做計算（所以即使斷網也依舊能完成工作）。

zk-STARK：概率證明 + 緩衝時間

　　zk-STARK 是成立於 2017 年 12 月的 StarkWare 團隊開發的，它是針對 zk-SNARK 的替代解決方案。研發歷時一年多，經過無數次反覆運算才徹底搞定，已經到 2019 年了。

　　zk-SNARK 是提前生成公共參考字串，用非互動式證明的方式提高了證明效率，但也留下了隱患。zk-STARK 雖然是互動式證明，但它是一種巧妙的互動式證明——通過雜湊函數碰撞（一種概率證明的方式）來保證安全性，因此也實現了高效證明。

　　這個思路直接借鑒自 2015 年推出的互動式預言機證明（IOP）技術，簡單來說是先把問題用密碼學的方式打碎，然後驗證者隨機向示證者提出幾個的問題，如果幾輪下來，示證者都給出準確的回答，那麼驗證就通過了。

　　所以 zk-STARK 同樣也只需要極少的計算資源就可以完成證明，但是它更安全，不存在答案洩露的風險。並且為了進一步確保安全性，還設置了爭議時間延遲（DTD）來作為緩衝。

zk-SNARK 和 zk-STARK 的區別

1. 透明度

　　zk-SNARK 的公共參考字元串通常由一個小團體來保管，因此有洩露的可能性，從而被惡意利用，如創建虛假證明。

　　zk-STARK 則直接利用生成隨機性的參數來驗證，不需要任何協力廠商的「答案系統」，因此透明度大幅提高。

2. 抗量子電腦攻擊

　　zk-SNARK 未來會輕易被量子電腦暴力破解（通過分解計算從公開金鑰中提取私密金鑰）。當然，量子計算何時到來還是個問題。

　　zk-STARK 採用的是雜湊函數碰撞的方法來證明，理論上量子電腦的暴力破解是無效的。

3. 可擴展性

　　zk-SNARK 的證明在鏈上更具可擴展性（生成的證明的位元組數更小），zk-STARK 在純鏈上似乎沒有優勢。

　　StarkWare 官網宣稱是最快的，可能是因為 zk-STARK 允許鏈下進行大規模計算和存儲，然後在鏈上完成驗證，因此可擴展性顯著提升（甚至可以提高 10 倍），而成本顯著降低。

總結

　　zk-SNARK 技術被採用得最多，尤其是在以太坊擴容場景中。zk-SNARK 主要是圍繞「隱私保護」去做身份、支付、DeFi、資產證明等各種應用。

　　zk-STARK 雖然也在發展之中，但技術尚不成熟，至少在通用性上受限，所以我們看到大多是圍繞著「可擴展性」去做各種應用。

　　不過據 StarkWare 團隊在 2022 年的說法，已經解決了可擴展性，該把目標瞄準「隱私保護」了，而方式是通過 StarkNet 的 Layer3 以及 Layer4 中以分形分層的方式解決，這似乎與 zk-STARK 證明系統本身沒有直接關係。

　　至少就目前而言，大多數以太坊 Layer2 專案 (zkSync、Aztec、Loopring、Scroll 等 ) 都採用的是 zk-SNARK 技術路線，除了通用性上受限，還有一個原因是普遍回饋說 zk-STARK 的開發難度過大……

　　當然長遠來看，zk-STARK 可承載的運算量更大，可能更有前景。

　　總的來說，zk-SNARK 和 zk-STARK 的關係，有些像 Optimistic rollups 和 ZK rollups 的關係，前者短期利好，後者長期利好。