# ゼロ知識証明技術の概要と今後の展望## まとめzk-SNARKs(ZKP)技術はブロックチェーン分野の重要な革新として、近年広く注目され研究されています。本稿では、zk-SNARKs技術の近40年の発展の歴史を系統的にレビューし、回路ベースのzk-SNARKs技術、ZKVM、ZKEVMなどのモデルの設計原理と応用方法を重点的に分析します。記事ではまた、ZK RollupがLayer 2拡張ソリューションとしての作業メカニズムと最適化方向、さらにはハードウェアアクセラレーションやハイブリッドソリューションなどの最新の進展について紹介します。最後に、本稿ではZKCoprocessor、ZKML、ZKThreadsなどの新興概念を展望し、これらがブロックチェーンシステムの効率、安全性、プライバシー保護を向上させる潜在能力について考察します。## 目次1. ゼロ知識証明の基礎知識2. 非対話型のゼロ知識証明 3. 回路ベースのゼロ知識証明第四に、ゼロ知識証明モデル5. ゼロ知識仮想マシンの概要と開発六、zk-SNARKsイーサリアム仮想マシンの概要と発展7. ゼロ知識レイヤー2ネットワークソリューションの概要と開発8. ゼロ知識証明の今後の展開方向9. まとめ## 1. ゼロ知識証明の基礎知識### 1. 概要zk-SNARKs(ゼロ知識証明、ZKP)は、1985年にGoldwasser、Micali、Rackoffによって初めて提案された、追加情報を漏らすことなく特定の命題の正当性を検証するためのプロトコルです。ZKPには、完備性、信頼性、ゼロ知識性の3つの基本的な特性があります。ZKPの核心思想は、証明者が検証者に対して特定の情報を持っていることを証明できるが、その情報の具体的な内容を検証者に開示する必要がないということです。この特性により、ZKPはプライバシー保護とブロックチェーンのスケーラビリティ向上において重要な役割を果たし、学術研究や業界応用の焦点となっています。### 2. ゼロ知識証明の例以下は、証明者が特定の秘密の数字を持っているかどうかを直接その数字を表示することなく検証するための簡単なzk-SNARKsの例です:1. セットアップ: 証明者は、2 つの大きな素数 p と q を選択し、n = p * q を計算し、秘密数 ( として v = s^2 mod n)s を計算します。2. チャレンジ: 検証者はランダムに位置a(0または1)を選択して証明者に送信します。3. 応答: プルーフ作成者はaの値に基づいて応答gを計算します。もしa=0なら、g = r; もしa=1なら、g = r * s mod n。4. 検証: 検証者は g^2 mod n が x( に等しいか、または x * v mod n) が a=1( の時に等しいかを確認します。このプロセスを何度も繰り返すことで、証明者が運に頼って検証者を欺く確率を極めて低くすることができます。## 次に、非対話型のゼロ知識証明) 1. バックグラウンド従来のzk-SNARKsは通常、多段階の相互作用を必要とします。しかし、即時取引や投票などの特定のアプリケーションシナリオでは、多段階の相互作用は実行不可能です。非相互作用型zk-SNARKs###NIZK(は、この問題を解決するために登場しました。) 2. NIZKのご提案ブルム、フェルドマン、ミカリは、1988年に初めてNIZKの概念を提案しました。 NIZKプルーフは、セットアップ、計算、検証の3つのフェーズに分かれています。 共通参照文字列###CRS(の概念は、セットアップ フェーズで導入され、その後の計算と検証の基礎を提供します。) 3. フィアット・シャミール変換Fiat-Shamir変換は、インタラクティブな零知識証明を非インタラクティブに変換する方法です。この方法は、ハッシュ関数を使用して部分的なランダム性とインタラクティブ性を置き換え、証明プロセスを大幅に簡素化します。### 4. その他の研究Jens Grothらの研究は、暗号学およびブロックチェーン技術におけるNIZKの応用を大いに進展させました。彼らは、任意のNP言語に適用可能な完璧な非対話型零知识证明システムを提案し、効率と安全性の面で顕著な進展を遂げました。さらに、特定の検証者による非対話型zk-SNARKsや、キー登録モデルに基づくアプローチなどもNIZKの発展に新たな視点を提供しています。## 3. 回路ベースのゼロ知識証明### 1. バックグラウンド回路ベースのzk-SNARKsは、特定のタイプの計算タスクを処理する際に優れた性能を示し、特に高度に並列化されたシーンで効果を発揮します。### 2. 回路モデルの基本概念と特徴回路モデルは主に算術回路と論理回路の二大類に分かれます。算術回路は加算ゲートと乗算ゲートで構成され、複雑な数値計算に適しています; 論理回路は基本的な論理ゲートで構成され、単純な判断論理や二進数計算を実行するのに適しています。### 3. ゼロ知識証明における回路設計と応用ゼロ知識証明システムにおいて、回路設計のプロセスは、証明すべき問題を回路として表現し、その後回路を多項式表現に変換することを含みます。このプロセスには、問題の表現、回路の最適化、多項式の変換、公共参照文字列の生成などのステップが含まれます。### 4. 潜在的な落とし穴と課題回路に基づくzk-SNARKsが直面する主な課題には、回路の複雑さと規模、最適化の難しさ、特定の計算タスクへの適応性などがあります。これらの問題を解決する方向性には、回路圧縮技術、モジュール設計、ハードウェアアクセラレーションなどが含まれます。## 第四に、ゼロ知識証明モデル### 1. 一般的なアルゴリズムモデル1. zkSNARKモデル: Bitanskyらによって2011年に提案された、改良されたzk-SNARKsメカニズム。2. Ben-Sassonモデル:フォン・ノイマンRISCアーキテクチャプログラム実行のためのzk-SNARKsモデル。3. ピノキオモデル: 完全な非対話型zk-SNARKs生成キットで、高度なコンパイラと二次算術プログラム###QAPs(を含みます。4. Bulletproofsモデル:信頼できる設定は不要で、証明のサイズは証拠値のサイズに対して対数的に増加します。5. Ligeroモデル: 軽量のzk-SNARKsモデルで、通信の複雑性は検証回路のサイズの平方根に比例します。) 2. 線形PCPと離散対数問題に基づくスキームこのようなソリューションには、Groth16モデル、Sonicモデル、PLONKモデルなどが含まれており、楕円曲線ペアリングと二次算術プログラムに基づいて、高効率の非対話型zk-SNARKsシステムを提供します。### 3. 一般人による証明に基づくソリューション"普通人证明"はGoldwasser、Kalai、Rothblumによって提案され、広範な問題に適用されます。代表的なスキームにはHyraxモデル、Libraモデル、Spartanモデルが含まれます。### 4. ゼロ知識に基づく確率的テスト可能な証明###PCP(このようなソリューションには、STARKモデル、Auroraモデル、Succinct Auroraモデル、Fractalモデルなどが含まれ、通常は透明な設定と後量子安全性の特性を持っています。) 5. CPC###ジェネリックプルーフコンストラクション(に基づくセットアップフェーズの分類zk-SNARKsシステムは三世代に分けられます: 第一世代は各回路に対して個別の信頼できる設定が必要です; 第二世代はすべての回路に対して一度のみ初期設定が必要です; 第三世代は信頼できる設定を必要としません。## V. ゼロ知識仮想マシンの概要と開発) 1. バックグラウンドzk-SNARKs仮想マシン###ZKVM(は、零知识证明に特化した仮想マシンであり、従来のVMの機能を拡張し、零知识回路の開発ハードルを一般化して低くすることができます。) 2. 既存の ZKVM 分類主に3つのカテゴリーに分かれます:1.主流のZKVM:RISCZero、PolygonMiden、zkWASMなど。2. EVM等価型ZKVM:イーサリアム仮想マシン###EVM(との互換性のために特別に設計されています。3.ゼロ知識最適化ZKVM:Cairo-VM、Valida、TinyRAMなど) 3. フロントエンドとバックエンドのパラダイムZKPシステムは一般的にフロントエンド###frontend(とバックエンド)backend(の2つの部分に分けられます。フロントエンドは主に低レベル言語を使用して高レベル言語を表現し、バックエンドはフロントエンドが構築した低レベル言語で記述された回路を生成証明と検証の正しさに変換します。) 4. ZKVMパラダイムの長所と短所利点には、既存の命令セットアーキテクチャの利用、単一回路での複数プログラムのサポート、繰り返し構造の回路などがあります。欠点には、汎用性によるオーバーヘッド、特定の操作の高コスト、証明コストの高さなどがあります。## 六、zk-SNARKsイーサリアム仮想マシンの概要と発展### 1. バックグラウンドzk-SNARKsイーサリアム仮想マシン###ZKEVM(は、イーサリアム専用に設計されており、主にスマートコントラクトの実行の正確性を検証し、同時に取引のプライバシーを保護するために使用されます。) 2. ZKEVMのしくみZKEVMのワークフローには、ノードプログラムの処理、ZK証明の生成、証明の集約、L1コントラクトへの送信などのステップが含まれます。### 3. ZKEVMの実装プロセス主にデータの取得、データの処理、証明の生成、再帰的証明、および証明の提出などのステップが含まれます。### 4. ZKEVMの機能:ZKEVMの主な特徴には、取引処理能力の向上、プライバシー保護、および効率的な検証が含まれます。## 7. ゼロ知識レイヤー2ネットワークソリューションの概要と開発### 1. バックグラウンドzk-SNARKs二層ネットワークソリューション###ZK Rollup(は、零知識証明に基づくイーサリアムのスケーリングソリューションであり、取引処理効率を向上させ、コストを削減することを目的としています。) 2. ZK Rollupの工作メカニズムZK Rollupは、オフチェーンでトランザクションを実行し、有効性証明を生成することで、イーサリアムのメインチェーン上の計算リソースの使用を大幅に削減します。### 3. ZK Rollupの最適化方向主要な最適化の方向性には次のものが含まれます:1. パスワードアルゴリズムの計算を最適化する2. オプティミスティックとzk-SNARKsロールアップの混合3. 専用ZK EVMの開発4. ハードウェア最適化## 8. ゼロ知識証明の今後の方向性### 1. コンピューティング環境の開発を加速ZK-ASIC### ASIC (やZKCoprocessor)コプロセッサの開発など(ゼロ知識証明の計算効率の向上を目指している。) 2. ZKMLの提案・開発zk-SNARKs機械学習###ZKML(は、零知识证明技術を機械学習分野に応用し、データやモデルの詳細を漏らすことなく機械学習の計算結果を検証することを実現します。) 3. ZKP拡張技術の開発ZKThreadsとZK Shardingの概念を含む提案は、ゼロ知識証明とシャーディング技術を組み合わせて、ブロックチェーンのスケーラビリティとカスタマイズ性を向上させることを目的としています。### 4. ZKP相互運用性の開発ZKステートチャネルとZKオムニチェーン相互運用プロトコルの提案を含み、ゼロ知識証明に基づくクロスチェーン資産とデータの相互運用性を実現することを目的としています。## IX. まとめzk-SNARKs技術はブロックチェーン分野で巨大な潜力を示しており、特にプライバシー保護と処理能力の向上において重要です。最新技術と発展動向の分析を通じて、本論文はzk-SNARKs技術の理解と応用に対して包括的な視点を提供し、ブロックチェーンシステムの効率と安全性を向上させる上での重要な役割を示しています。今後、ハードウェア加速、専用アルゴリズム、クロスチェーン相互運用性などのさらなる発展に伴い、zk-SNARKs技術はより広範な応用シーンで重要な役割を果たすことが期待されています。
ゼロ知識証明技術の包括的分析:基礎から未来まで
ゼロ知識証明技術の概要と今後の展望
まとめ
zk-SNARKs(ZKP)技術はブロックチェーン分野の重要な革新として、近年広く注目され研究されています。本稿では、zk-SNARKs技術の近40年の発展の歴史を系統的にレビューし、回路ベースのzk-SNARKs技術、ZKVM、ZKEVMなどのモデルの設計原理と応用方法を重点的に分析します。記事ではまた、ZK RollupがLayer 2拡張ソリューションとしての作業メカニズムと最適化方向、さらにはハードウェアアクセラレーションやハイブリッドソリューションなどの最新の進展について紹介します。最後に、本稿ではZKCoprocessor、ZKML、ZKThreadsなどの新興概念を展望し、これらがブロックチェーンシステムの効率、安全性、プライバシー保護を向上させる潜在能力について考察します。
目次
1. ゼロ知識証明の基礎知識
1. 概要
zk-SNARKs(ゼロ知識証明、ZKP)は、1985年にGoldwasser、Micali、Rackoffによって初めて提案された、追加情報を漏らすことなく特定の命題の正当性を検証するためのプロトコルです。ZKPには、完備性、信頼性、ゼロ知識性の3つの基本的な特性があります。
ZKPの核心思想は、証明者が検証者に対して特定の情報を持っていることを証明できるが、その情報の具体的な内容を検証者に開示する必要がないということです。この特性により、ZKPはプライバシー保護とブロックチェーンのスケーラビリティ向上において重要な役割を果たし、学術研究や業界応用の焦点となっています。
2. ゼロ知識証明の例
以下は、証明者が特定の秘密の数字を持っているかどうかを直接その数字を表示することなく検証するための簡単なzk-SNARKsの例です:
セットアップ: 証明者は、2 つの大きな素数 p と q を選択し、n = p * q を計算し、秘密数 ( として v = s^2 mod n)s を計算します。
チャレンジ: 検証者はランダムに位置a(0または1)を選択して証明者に送信します。
応答: プルーフ作成者はaの値に基づいて応答gを計算します。もしa=0なら、g = r; もしa=1なら、g = r * s mod n。
検証: 検証者は g^2 mod n が x( に等しいか、または x * v mod n) が a=1( の時に等しいかを確認します。
このプロセスを何度も繰り返すことで、証明者が運に頼って検証者を欺く確率を極めて低くすることができます。
次に、非対話型のゼロ知識証明
) 1. バックグラウンド
従来のzk-SNARKsは通常、多段階の相互作用を必要とします。しかし、即時取引や投票などの特定のアプリケーションシナリオでは、多段階の相互作用は実行不可能です。非相互作用型zk-SNARKs###NIZK(は、この問題を解決するために登場しました。
) 2. NIZKのご提案
ブルム、フェルドマン、ミカリは、1988年に初めてNIZKの概念を提案しました。 NIZKプルーフは、セットアップ、計算、検証の3つのフェーズに分かれています。 共通参照文字列###CRS(の概念は、セットアップ フェーズで導入され、その後の計算と検証の基礎を提供します。
) 3. フィアット・シャミール変換
Fiat-Shamir変換は、インタラクティブな零知識証明を非インタラクティブに変換する方法です。この方法は、ハッシュ関数を使用して部分的なランダム性とインタラクティブ性を置き換え、証明プロセスを大幅に簡素化します。
4. その他の研究
Jens Grothらの研究は、暗号学およびブロックチェーン技術におけるNIZKの応用を大いに進展させました。彼らは、任意のNP言語に適用可能な完璧な非対話型零知识证明システムを提案し、効率と安全性の面で顕著な進展を遂げました。
さらに、特定の検証者による非対話型zk-SNARKsや、キー登録モデルに基づくアプローチなどもNIZKの発展に新たな視点を提供しています。
3. 回路ベースのゼロ知識証明
1. バックグラウンド
回路ベースのzk-SNARKsは、特定のタイプの計算タスクを処理する際に優れた性能を示し、特に高度に並列化されたシーンで効果を発揮します。
2. 回路モデルの基本概念と特徴
回路モデルは主に算術回路と論理回路の二大類に分かれます。算術回路は加算ゲートと乗算ゲートで構成され、複雑な数値計算に適しています; 論理回路は基本的な論理ゲートで構成され、単純な判断論理や二進数計算を実行するのに適しています。
3. ゼロ知識証明における回路設計と応用
ゼロ知識証明システムにおいて、回路設計のプロセスは、証明すべき問題を回路として表現し、その後回路を多項式表現に変換することを含みます。このプロセスには、問題の表現、回路の最適化、多項式の変換、公共参照文字列の生成などのステップが含まれます。
4. 潜在的な落とし穴と課題
回路に基づくzk-SNARKsが直面する主な課題には、回路の複雑さと規模、最適化の難しさ、特定の計算タスクへの適応性などがあります。これらの問題を解決する方向性には、回路圧縮技術、モジュール設計、ハードウェアアクセラレーションなどが含まれます。
第四に、ゼロ知識証明モデル
1. 一般的なアルゴリズムモデル
zkSNARKモデル: Bitanskyらによって2011年に提案された、改良されたzk-SNARKsメカニズム。
Ben-Sassonモデル:フォン・ノイマンRISCアーキテクチャプログラム実行のためのzk-SNARKsモデル。
ピノキオモデル: 完全な非対話型zk-SNARKs生成キットで、高度なコンパイラと二次算術プログラム###QAPs(を含みます。
Bulletproofsモデル:信頼できる設定は不要で、証明のサイズは証拠値のサイズに対して対数的に増加します。
Ligeroモデル: 軽量のzk-SNARKsモデルで、通信の複雑性は検証回路のサイズの平方根に比例します。
) 2. 線形PCPと離散対数問題に基づくスキーム
このようなソリューションには、Groth16モデル、Sonicモデル、PLONKモデルなどが含まれており、楕円曲線ペアリングと二次算術プログラムに基づいて、高効率の非対話型zk-SNARKsシステムを提供します。
3. 一般人による証明に基づくソリューション
"普通人证明"はGoldwasser、Kalai、Rothblumによって提案され、広範な問題に適用されます。代表的なスキームにはHyraxモデル、Libraモデル、Spartanモデルが含まれます。
4. ゼロ知識に基づく確率的テスト可能な証明###PCP(
このようなソリューションには、STARKモデル、Auroraモデル、Succinct Auroraモデル、Fractalモデルなどが含まれ、通常は透明な設定と後量子安全性の特性を持っています。
) 5. CPC###ジェネリックプルーフコンストラクション(に基づくセットアップフェーズの分類
zk-SNARKsシステムは三世代に分けられます: 第一世代は各回路に対して個別の信頼できる設定が必要です; 第二世代はすべての回路に対して一度のみ初期設定が必要です; 第三世代は信頼できる設定を必要としません。
V. ゼロ知識仮想マシンの概要と開発
) 1. バックグラウンド
zk-SNARKs仮想マシン###ZKVM(は、零知识证明に特化した仮想マシンであり、従来のVMの機能を拡張し、零知识回路の開発ハードルを一般化して低くすることができます。
) 2. 既存の ZKVM 分類
主に3つのカテゴリーに分かれます: 1.主流のZKVM:RISCZero、PolygonMiden、zkWASMなど。 2. EVM等価型ZKVM:イーサリアム仮想マシン###EVM(との互換性のために特別に設計されています。 3.ゼロ知識最適化ZKVM:Cairo-VM、Valida、TinyRAMなど
) 3. フロントエンドとバックエンドのパラダイム
ZKPシステムは一般的にフロントエンド###frontend(とバックエンド)backend(の2つの部分に分けられます。フロントエンドは主に低レベル言語を使用して高レベル言語を表現し、バックエンドはフロントエンドが構築した低レベル言語で記述された回路を生成証明と検証の正しさに変換します。
) 4. ZKVMパラダイムの長所と短所
利点には、既存の命令セットアーキテクチャの利用、単一回路での複数プログラムのサポート、繰り返し構造の回路などがあります。欠点には、汎用性によるオーバーヘッド、特定の操作の高コスト、証明コストの高さなどがあります。
六、zk-SNARKsイーサリアム仮想マシンの概要と発展
1. バックグラウンド
zk-SNARKsイーサリアム仮想マシン###ZKEVM(は、イーサリアム専用に設計されており、主にスマートコントラクトの実行の正確性を検証し、同時に取引のプライバシーを保護するために使用されます。
) 2. ZKEVMのしくみ
ZKEVMのワークフローには、ノードプログラムの処理、ZK証明の生成、証明の集約、L1コントラクトへの送信などのステップが含まれます。
3. ZKEVMの実装プロセス
主にデータの取得、データの処理、証明の生成、再帰的証明、および証明の提出などのステップが含まれます。
4. ZKEVMの機能:
ZKEVMの主な特徴には、取引処理能力の向上、プライバシー保護、および効率的な検証が含まれます。
7. ゼロ知識レイヤー2ネットワークソリューションの概要と開発
1. バックグラウンド
zk-SNARKs二層ネットワークソリューション###ZK Rollup(は、零知識証明に基づくイーサリアムのスケーリングソリューションであり、取引処理効率を向上させ、コストを削減することを目的としています。
) 2. ZK Rollupの工作メカニズム
ZK Rollupは、オフチェーンでトランザクションを実行し、有効性証明を生成することで、イーサリアムのメインチェーン上の計算リソースの使用を大幅に削減します。
3. ZK Rollupの最適化方向
主要な最適化の方向性には次のものが含まれます:
8. ゼロ知識証明の今後の方向性
1. コンピューティング環境の開発を加速
ZK-ASIC### ASIC (やZKCoprocessor)コプロセッサの開発など(ゼロ知識証明の計算効率の向上を目指している。
) 2. ZKMLの提案・開発
zk-SNARKs機械学習###ZKML(は、零知识证明技術を機械学習分野に応用し、データやモデルの詳細を漏らすことなく機械学習の計算結果を検証することを実現します。
) 3. ZKP拡張技術の開発
ZKThreadsとZK Shardingの概念を含む提案は、ゼロ知識証明とシャーディング技術を組み合わせて、ブロックチェーンのスケーラビリティとカスタマイズ性を向上させることを目的としています。
4. ZKP相互運用性の開発
ZKステートチャネルとZKオムニチェーン相互運用プロトコルの提案を含み、ゼロ知識証明に基づくクロスチェーン資産とデータの相互運用性を実現することを目的としています。
IX. まとめ
zk-SNARKs技術はブロックチェーン分野で巨大な潜力を示しており、特にプライバシー保護と処理能力の向上において重要です。最新技術と発展動向の分析を通じて、本論文はzk-SNARKs技術の理解と応用に対して包括的な視点を提供し、ブロックチェーンシステムの効率と安全性を向上させる上での重要な役割を示しています。今後、ハードウェア加速、専用アルゴリズム、クロスチェーン相互運用性などのさらなる発展に伴い、zk-SNARKs技術はより広範な応用シーンで重要な役割を果たすことが期待されています。