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Vitalik（以太坊創辦人）曾經在公開的演講說過，零知識證明（ZKP, Zero Knowledge Proof）和區塊鏈雖然是兩個可以獨立存在的技術，卻是對彼此有最佳互補的技術，特別是在以下三個方面：隱私、可擴展性、以及互操作性。
根據 Messari 的資料，2023 年在 ZK 領域的投資超過了 4 億美元，重點集中在以太坊 L1/L2 層的可擴展性和新興的 ZK 開發者基礎設施上。
雖然 ZK 技術相對較新，但其快速發展的生態系統預計將整合最佳實踐，以實現更安全、私密和可擴展的區塊鏈應用。
今天就透過這篇文章，讓讀者可以由淺入深認識零知識證明對 Web3 領域的重要影響。
零知識證明是一種在保持隱私的同時，證明某種聲明真實性的技術。
這項技術在資訊安全和隱私保護領域具有重要的意義。讓我們深入瞭解它的本質、重要性，以及如何運作和應用。
從本質上講，零知識證明是一種加密技術，允許一方（稱為證明者）向另一方（驗證者）證明計算是有效的，而無需暴露建立計算時使用的任何底層資料。ZKP 起源於 1985 年，當前，隨著軟體工具和硬體的最新進步，ZK 不再受到侷限，已經從理論發展到了實際應用。
一個經典的零知識證明例子是《威利在哪裡？》的遊戲。
證明者知道威利在圖片中的位置，但不想透露具體位置。他們可以使用一個遮擋大部分圖片、只露出威利的遮擋物，來證明他們知道威利在哪裡，而不透露威利的具體位置。這就是一種零知識證明：證明者證明了一個事實（知道威利的位置）而不透露任何其他訊息。
簡單來說，就是「我知道，但我不告訴你具體是什麼」。用個生活化的舉例：如果你需要證明自己的年齡可以買酒，但又不想透露具體的出生日期或其他個人訊息，零知識證明是一個可以協助你這麼做的技術。
當 Vitalik 曾表示零知識證明（ZKP）與區塊鏈是很好的互補時，強調兩者在隱私性（Privacy）和可擴展性（Scalability）方面的相互增強，以及透過 ZKP 達成的信任互操作性，讓我們深入探討零知識證明（ZKP）對區塊鏈的這三個正面幫助。
幫助一：隱私性保護（Privacy）
區塊鏈的一個主要特點是透明性：所有交易記錄都是公開的，這意味著任何人都可以查看交易細節。這在某些情況下是一個優點，但也會導致隱私問題。例如，在比特幣網路上，儘管地址是匿名的，但透過分析交易圖，可以追蹤到特定使用者的行為模式。
零知識證明在這裡起著關鍵作用。透過 ZK 技術，使用者可以證明他們已經遵守了特定的規則（例如，已經支付足夠的資金），而無需透露交易的具體細節。這增強了區塊鏈使用者的隱私，因為它隱藏了他們的身份和交易的特定內容。
幫助二：區塊鏈的可擴展性（Scalability）
區塊鏈面臨的另一個主要挑戰是可擴展性。隨著更多的交易和複雜的智能合約被載入到區塊鏈上，處理速度變慢，交易費用增加。
ZKP 的另一個重要特性是簡潔性就可以幫上忙。它指的是即使要證明的陳述非常複雜，所需的證明也可以非常簡短和高效。這在資源受限的環境（如區塊鏈）中尤為重要，因為它意味著可以在不占用大量網路資源的情況下進行複雜的驗證。這種特性在減少交易資料的大小，和提高系統吞吐量方面非常有效。
零知識證明可以透過以下方式幫助解決這個問題：
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ZK Rollups： 這是一種 Layer 2 解決方案，它將多個交易 “捲起成” 單個交易並送出到主鏈。ZK 技術確保這些捲起的交易被正確執行，而無需逐個處理它們。這大大減少了區塊鏈上的資料負擔，提高了吞吐量，降低了交易成本。
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ZK-SNARKs 在智能合約中的應用： 智能合約的複雜性和數量的增加對區塊鏈的性能構成了挑戰。使用 ZK 證明，智能合約的某些計算可以在區塊鏈之外進行，只有最終的證明被發送到鏈上。這降低了區塊鏈的負擔，同時保持了合約邏輯的完整性和安全性。
幫助三：去信任的互操作性
當前的區塊鏈互操作性協定，依賴於可信系統（如多重簽名或激勵驗證器集）。ZKPs 可以透過密碼學證明替代加密經濟信任假設，為更安全、更穩健的跨鏈通訊開闢新路徑。在 ZKP 的主要應用中，互操作性是最新興的領域之一。
隨著加密技術的進步和區塊鏈社群對 ZKP 的越來越多的關注，ZKP 的性能得到了顯著提升，這推動了它在各個領域的應用。ZK 生態系統可以分為三層：
1. 基礎設施層： 即用於在 ZK之上建立協定或應用的工具或硬體，例如：ZK-VM，這是一種新型的區塊鏈虛擬機器，它使用 ZKP 來確保交易和智能合約的執行不僅是正確的，而且是私密的。這對於增強區塊鏈平台的隱私性和功能性提供了巨大的潛力。
2. 網路層： 即利用 ZK 證明系統的 L1 和 L2 協定，例如：ZK Rollup，這是一種 Layer 2 解決方案，它可以將多個交易打包在一起，然後透過單一的零知識證明來驗證這些交易。這樣既保持了交易的隱私性，也大大提高了區塊鏈的處理能力和吞吐量。
3. 應用層： 即利用 ZK 機制的使用者終端產品，例如：Dark Forest，這是一種基於 ZKP 的遊戲，展示瞭如何在保護玩家隱私的同時實現互動式遊戲機制。
零知識證明的應用範圍廣泛，以下是一些應用案例：
1. 隱私保護的支付系統： 如 Zcash，它允許使用者進行加密貨幣交易而不暴露交易細節。
2. 身份驗證： 使用者可以證明他們擁有某些資格或屬性，而無需透露具體的身份訊息。
3. 智能合約： 在區塊鏈上，零知識證明可以用於證明某些條件已被滿足，而不必透露滿足這些條件的具體資料。
4. 合規性驗證： 企業可以證明它們遵守了某些規則或標準，而無需透露商業秘密。
生成 ZK 證明的市場需求在哪裡？
ZK 技術雖然在提高項目的可擴展性、隱私性和信譽度方面非常有效，但它需要大量的計算能力。這種高計算需求導致的開銷給基礎設施團隊帶來壓力，對於那些能夠有效、高效地提供這種計算服務的公司來說，這是一個巨大的市場機遇。
在生成 ZK 證明的方法方面，有 Proof Markets 和 Proof Networks 兩種不同的模式。Proof Markets 提供靈活性和成本效益，允許更廣泛的參與者參與到 ZK 證明的生成中。Proof Networks 則透過內部伺服器提供更流暢、對開發者更友好的體驗。
隨着 ZK Coprocessors、ZK Attestation、ZKML 和 ZK 橋等新興 ZK 應用的出現，對生成 ZK 證明的需求不斷增加。這些應用的多樣性和增長速度表明，ZK 技術的應用正在擴展到更廣泛的領域，從而進一步推動了對 ZK 證明生成能力的需求。
雖然仍處於早期階段，但 ZK 生態系統的快速發展有望開創安全、隱私和可擴展的區塊鏈解決方案的新時代。
ZK 的未來主要涉及速度優先的新穎零知識證明設計、降低硬體要求、改進開發人員工具以及支持去中心化證明生成。
雖然 Optimistic 和 ZK 擴展解決方案都用於驗證的聚合交易，但每種解決方案都在安全性、延遲和計算效率之間進行了相關的設計權衡，但從中長期來看，我們將看到這兩個堆疊的融合，以適應多樣化的範圍的鏈上應用。
ZK 應用層目前還處於萌芽狀態，但隨著終端使用者對公共區塊鏈隱私保護的需求的日益增長，它可能會不斷增長，諸如 Solana 的 Token 22 program with Confidential Transfers（例如利用 ZKP 加密代幣餘額和 SPL 代幣轉帳金額的隱私功能）等新興概念，展示了 ZK 在 ETH 生態系統之外的適應性和潛力。
ZK 的變革潛力正在顯現，預示著區塊鏈解決方案的安全性、隱私性和可擴展性將得到提高，隨著 ZK 領域的基礎設施的發展，我們將可以解鎖更多形式的鏈上應用。
核稿編輯：高敬原
