zk-SNARKs: de la teoría a la aplicación

I. Desarrollo de zk-SNARKs

La teoría moderna del sistema de pruebas de conocimiento cero se origina en el trabajo pionero de Goldwasser, Micali y Rackoff de 1985. Este trabajo explora cómo demostrar la veracidad de una afirmación mediante el intercambio de la menor cantidad de conocimiento posible en sistemas interactivos. Este concepto estableció las bases de las pruebas de conocimiento cero, aunque los sistemas tempranos presentaban deficiencias en términos de eficiencia y practicidad.

En la última década, con el auge de la criptografía en el campo de las criptomonedas, la tecnología de zk-SNARKs ha experimentado un rápido desarrollo. La investigación se centra en el desarrollo de protocolos generales, no interactivos y con un tamaño de prueba limitado. El principal desafío radica en equilibrar la velocidad de prueba, la velocidad de verificación y el tamaño de la prueba.

En 2010, el esquema de prueba de conocimiento cero no interactivo de emparejamiento corto propuesto por Groth se convirtió en una piedra angular importante de la teoría zk-SNARKs. En 2015, Zcash aplicó pruebas de conocimiento cero para la protección de la privacidad de las transacciones, inaugurando la amplia aplicación de esta tecnología en escenarios reales.

Otros avances clave incluyen:

• Protocolo Pinocchio de 2013: Mejoró la eficiencia de la prueba y verificación
• En 2016, Groth16: se optimizó aún más el tamaño de la prueba y la velocidad de verificación.
• 2017 Bulletproofs: se propuso un esquema de prueba corta sin necesidad de un entorno de confianza.
• 2018 zk-STARKs: introducción de la tecnología de pruebas de conocimiento cero seguras contra la computación cuántica.

Además, nuevos esquemas como PLONK y Halo2 también han traído importantes mejoras a zk-SNARKs.

Dos, las principales aplicaciones de zk-SNARKs

La tecnología de zk-SNARKs se aplica principalmente en dos áreas: la protección de la privacidad y la escalabilidad de blockchain.

protección de la privacidad

Los proyectos de transacciones privadas tempranas como Zcash y Monero atrajeron una amplia atención, pero debido a que la demanda real no cumplió con las expectativas, ahora han pasado a un segundo plano. Sin embargo, la protección de la privacidad sigue siendo una importante dirección de investigación.

Tomando como ejemplo Zcash, utiliza zk-SNARKs para lograr la privacidad en las transacciones, los pasos principales incluyen la configuración del sistema, la generación de claves, la acuñación de tokens, la generación de pruebas de transacción, la verificación y la recepción. Aunque Zcash ofrece una sólida protección de la privacidad, su diseño basado en el modelo UTXO limita la integración con otras aplicaciones, y la tasa de uso real es bastante baja.

En comparación, Tornado Cash utiliza un enfoque de mezcla de monedas más general, que opera sobre la red de Ethereum. Aprovecha la tecnología zk-SNARKs para garantizar la privacidad y seguridad de las transacciones, al mismo tiempo que mantiene la compatibilidad con el ecosistema existente.

ampliación

La aplicación de zk-SNARKs en la escalabilidad de blockchain se refleja principalmente en la tecnología ZK Rollup. ZK Rollup mejora significativamente la capacidad de procesamiento de transacciones al procesar una gran cantidad de transacciones fuera de la cadena y luego enviar la prueba comprimida a la cadena principal.

Las ventajas de ZK Rollup incluyen tarifas bajas, confirmación final rápida y protección de la privacidad. Sin embargo, también enfrenta desafíos como alta complejidad computacional y la necesidad de configuraciones confiables. Actualmente, proyectos como StarkNet, zkSync, Aztec Connect y Polygon Hermez están promoviendo activamente el desarrollo de la tecnología ZK Rollup.

Una cuestión clave es la compatibilidad de los sistemas ZK con la máquina virtual de Ethereum (EVM). Diferentes proyectos han adoptado diferentes estrategias; algunos eligen ser completamente compatibles con el código de operación EVM, mientras que otros diseñan nuevas máquinas virtuales para equilibrar la amigabilidad con ZK y la compatibilidad con Solidity. Los recientes avances en la compatibilidad con EVM han proporcionado a los desarrolladores más opciones, lo que se espera que acelere la adopción de la tecnología ZK.

Tres, el principio básico de zk-SNARKs

zk-SNARK (prueba de conocimiento cero no interactiva y concisa) es una de las tecnologías de prueba de conocimiento cero más ampliamente utilizadas en la actualidad. Tiene las siguientes características:

• zk-SNARKs: no revelar información adicional
• Sencillo: El proceso de verificación es rápido y el tamaño de la prueba es pequeño
• No interactivo: no se requieren múltiples interacciones
• Demostración: con fiabilidad computacional
• Conocimiento: el demostrador debe conocer información válida para construir la prueba

La implementación de zk-SNARKs generalmente incluye los siguientes pasos:

1. Convertir el problema en un circuito aritmético
2. Convertir el circuito a la forma R1CS (Rank-1 Constraint System)
3. Convertir R1CS a QAP (Programa Aritmético Cuadrático)
4. Generar configuraciones de confianza, incluyendo la clave de prueba y la clave de verificación
5. Generar y verificar zk-SNARKs

Esta tecnología proporciona herramientas poderosas para la protección de la privacidad en blockchain y la escalabilidad, pero su complejidad también plantea algunos desafíos, como la seguridad de la configuración confiable y la resistencia a la computación cuántica. A medida que la investigación avanza, zk-SNARKs y sus tecnologías derivadas seguirán impulsando la innovación y el desarrollo de la tecnología blockchain.