Perkembangan dan Aplikasi zk-SNARKs

I. Evolusi Sejarah zk-SNARKs

Sistem zero-knowledge modern berasal dari makalah yang ditulis bersama oleh Goldwasser, Micali, dan Rackoff pada tahun 1985. Makalah tersebut membahas jumlah pengetahuan yang perlu dipertukarkan untuk membuktikan kebenaran suatu pernyataan melalui interaksi berulang dalam sistem interaktif. Jika pertukaran zero-knowledge dapat direalisasikan, itu disebut sebagai zero-knowledge proof. Sistem interaktif ini hanya dapat benar dalam arti probabilistik, dan bukan secara matematis dapat dibuktikan secara ketat.

Untuk mengatasi keterbatasan sistem interaktif, sistem non-interaktif (NP) muncul, memiliki kelengkapan, dan menjadi pilihan ideal untuk zk-SNARKs. Sistem zk-SNARKs awalnya kurang efisien dan praktis, sebagian besar hanya berada di tingkat teori. Dalam dekade terakhir, seiring dengan munculnya kriptografi di bidang cryptocurrency, zk-SNARKs berkembang pesat dan menjadi arah penelitian yang penting.

Terobosan kunci dari zero-knowledge proof adalah makalah yang diterbitkan oleh Groth pada tahun 2010, yang menetapkan dasar teoritis untuk zk-SNARKs. Pada tahun 2015, Zcash mengadopsi sistem zero-knowledge proof untuk melindungi privasi transaksi, yang merupakan kemajuan penting di tingkat aplikasi. Selanjutnya, zk-SNARKs digabungkan dengan kontrak pintar, memperluas skenario aplikasi.

Beberapa pencapaian akademis penting selama periode tersebut termasuk: Protokol Pinocchio dari tahun 2013, algoritma Groth16 dari tahun 2016, Bulletproofs dari tahun 2017, dan zk-STARKs dari tahun 2018. Pencapaian ini terus mengoptimalkan ukuran bukti, efisiensi verifikasi, dan lainnya, mendorong perkembangan zk-SNARKs.

Dua, Aplikasi Utama zk-SNARKs

Dua aplikasi paling luas dari zk-SNARKs adalah perlindungan privasi dan skalabilitas. Proyek transaksi privasi awal seperti Zcash dan Monero mendapat perhatian setelah diluncurkan, tetapi permintaan sebenarnya tidak sesuai harapan. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan Ethereum beralih ke rute skalabilitas yang berfokus pada rollup, solusi skalabilitas berbasis zk-SNARKs kembali menjadi sorotan.

transaksi privasi

Transaksi privasi telah memiliki beberapa proyek yang telah diterapkan, seperti Zcash dan Tornado yang menggunakan SNARK, serta Monero yang menggunakan Bulletproof. Sebagai contoh Zcash, proses transaksinya mencakup pengaturan sistem, generasi kunci, pencetakan koin, pembuatan bukti transaksi, verifikasi, dan penerimaan. Namun, Zcash juga memiliki keterbatasan, seperti sulitnya skalabilitas berdasarkan model UTXO, dan tingkat penggunaan transaksi privasi yang sebenarnya tidak tinggi.

Tornado menggunakan desain kolam campuran besar tunggal, berbasis jaringan Ethereum, dengan kemampuan universalisme yang lebih baik. Ini menggunakan zk-SNARK untuk memberikan perlindungan privasi transaksi, yang memastikan hanya koin yang disetor yang dapat ditarik, dan koin tidak dapat ditarik ulang, dan fitur lainnya.

perluasan

Penggunaan zero-knowledge proof dalam skala terutama adalah zk-rollup. zk-rollup terdiri dari dua peran: Sequencer dan Aggregator. Sequencer bertanggung jawab untuk mengemas transaksi, Aggregator menggabungkan sejumlah besar transaksi untuk menghasilkan rollup dan membuat zero-knowledge proof, yang digunakan untuk memperbarui status Layer 1.

zk-rollup memiliki keunggulan biaya rendah, finalitas cepat, tetapi juga menghadapi tantangan seperti beban komputasi yang besar dan pengaturan keamanan yang kompleks. Saat ini, proyek zk-rollup yang utama termasuk StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez, masing-masing memiliki ciri khas dalam jalur teknologi dan kompatibilitas EVM.

Kompatibilitas EVM adalah masalah kunci dalam pengembangan zk-rollup. Proyek harus menyeimbangkan antara ramah terhadap zero-knowledge dan kompatibilitas EVM, beberapa proyek memilih untuk sepenuhnya kompatibel dengan opcode EVM, sementara yang lain merancang mesin virtual baru untuk mengakomodasi keduanya. Kemajuan teknologi terbaru telah secara signifikan meningkatkan kompatibilitas EVM, yang diharapkan dapat mendorong kemakmuran ekosistem pengembangan.

Tiga, Prinsip Dasar ZK-SNARK

zk-SNARK(Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) adalah protokol bukti nol yang banyak digunakan. Ini memiliki karakteristik seperti nol pengetahuan, ringkas, non-interaktif, dapat diandalkan, dan keandalan pengetahuan.

Proses pembuktian Groth16 zk-SNARK terdiri dari langkah-langkah berikut:

1. Mengubah masalah menjadi rangkaian
2. Mengonversi sirkuit ke dalam bentuk R1CS(Rank-1 Constraint System)
3. Mengonversi R1CS menjadi QAP(Program Aritmatika Kuadratik)
4. Membangun pengaturan yang dapat dipercaya, menghasilkan kunci bukti dan kunci verifikasi
5. Menghasilkan dan Memverifikasi Bukti zk-SNARKs

Proses ini melibatkan prinsip matematika yang kompleks dan teknik kriptografi, yang merupakan dasar untuk mencapai zk-SNARKs yang efisien.