在区块链和隐私保护技术领域，零知识证明（Zero-Knowledge Proofs, ZKP）正扮演着越来越重要的角色。它允许证明者在不泄露任何具体信息的情况下，向验证者证实某个声明的真实性。在众多零知识证明方案中，zk-SNARKs 和 zk-STARKs 尤为引人注目。本文将深入解析二者的核心特性、技术差异以及适用场景，助你全面理解这两大关键技术。
零知识证明的基本概念
零知识证明是一种密码学协议，使得一方（证明者）能够向另一方（验证者）证明某一陈述的真实性，而无需透露除该陈述真实性以外的任何信息。这类技术在提升区块链可扩展性（例如通过二层扩容方案）和构建隐私保护应用方面发挥着革命性作用。
zk-SNARKs 和 zk-STARKs 是零知识证明的两大重要分支，它们各有特点，适用于不同的应用需求。
什么是 zk-SNARKs？
zk-SNARK 的全称是“零知识简洁非交互式知识论证”。它是一类非交互式的零知识证明系统，意味着证明生成后，证明者与验证者之间无需进一步交互。zk-SNARKs 以高效著称，其证明大小极小，验证速度极快，且这些特性不随计算复杂性的增加而改变。
核心特性
- 可信设置（Trusted Setup）：zk-SNARKs 通常需要一个可信设置阶段，生成称为“结构化参考字符串”（SRS）的初始参数。该过程涉及一个秘密值，若被泄露，可能危及所有基于该设置生成的证明的安全性。因此，用户必须信任该设置过程被正确执行且秘密已被销毁。
- 依赖椭圆曲线加密（ECC）：大多数 zk-SNARK 构建依赖于椭圆曲线加密，其安全性基于离散对数问题的难度。虽然目前对经典计算机安全，但未来可能受到量子计算的威胁。
常见协议
- Groth16：这是一种广泛采用的协议，需为特定电路执行可信设置。其证明极为紧凑，验证速度快，被应用于 Zcash 等项目。
- PLONK：该协议使用通用且可更新的 SRS，能支持多种电路而无须为每个电路重新设置，提升了灵活性和可重用性。
性能特点
- 证明尺寸：非常小，适合带宽和存储受限的场景。
- 后量子安全性：较弱，因依赖椭圆曲线密码学，易受量子算法攻击。
- 可信设置：绝大多数方案需要，引入了一定的信任假设。
- 可扩展性：在证明尺寸和验证速度方面表现优异，但可信设置可能限制其在动态环境中的适用性。
什么是 zk-STARKs？
zk-STARK 意为“零知识可扩展透明知识论证”。它被设计用于解决 zk-SNARKs 的部分缺陷，特别是透明性和后量子安全性问题。zk-STARKs 无需可信设置，其安全性建立在哈希函数和公开随机性之上。
核心特性
- 透明设置（Transparent Setup）：zk-STARKs 完全不依赖秘密参数或可信设置。所有参数公开随机生成，避免了“有毒废物”问题，增强了系统的安全性和可信度。
- 基于哈希的安全机制：使用诸如 SHA-256 等哈希函数来保证安全。哈希函数目前被认为能够抵抗量子攻击，因此 zk-STARKs 具备较强的后量子安全性。
性能特点
- 证明尺寸：相对较大，可能比 zk-SNARKs 的证明大若干倍，这会导致更长的验证时间和更高的传输开销。
- 后量子安全性：强，因基于哈希函数，能有效抵御量子计算攻击。
- 可信设置：不需要，系统完全透明，无额外信任假设。
- 可扩展性：特别适合大型复杂计算，计算规模越大，其性能优势越明显。
zk-SNARKs 与 zk-STARKs 的综合对比
| 比较维度 | zk-SNARKs | zk-STARKs |
|---|---|---|
| 可信设置 | 需要 | 不需要 |
| 证明大小 | 很小 | 较大 |
| 可扩展性 | 适合中小型计算，验证速度快 | 适合大型计算，复杂度越高优势越明显 |
| 后量子安全性 | 较弱，依赖椭圆曲线密码学 | 较强，基于哈希函数 |
应用场景与选择建议
- zk-SNARKs 更适合那些对证明大小和验证速度有极高要求的场景，例如轻客户端验证、隐私加密货币和小型智能合约。尤其在资源受限的环境中，其简洁性优势明显。
- zk-STARKs 则更适用于注重长期安全性和透明性的应用，如大规模数据完整性验证、复杂金融合约及需抗量子攻击的系统。👉 探索更多应用场景与优化策略
常见问题
问：zk-SNARKs 为什么需要可信设置？
答：可信设置用于生成初始密码学参数。如果该过程中的秘密未被妥善处理或销毁，可能导致整个证明系统不安全，因此需要引入一定程度的信任。
问：zk-STARKs 的证明尺寸为什么更大？
答：因其采用透明设置和基于哈希的构造方法，为达成可扩展性和后量子安全性，需要在证明中包含更多信息，导致尺寸增加。
问：哪种技术更适合区块链二层扩容？
答：两者均有应用。zk-SNARKs 因验证速度快、证明小，常见于 Rollup 方案；zk-STARKs 则凭借透明性和可扩展性，也逐渐被一些项目采纳。
问：未来量子计算对这两种技术有何影响？
答：zk-SNARKs 所依赖的椭圆曲线密码学可能被量子计算破解，而 zk-STARKs 使用的哈希函数目前被视为抗量子攻击，因此后者在长期安全方面更具优势。
结语
zk-SNARKs 和 zk-STARKs 都是零知识证明领域的关键技术，各自在特定场景下展现优势。zk-SNARKs 以高效和小证明尺寸见长，但需要可信设置且缺乏后量子安全性；zk-STARKs 则提供了透明性和抗量子能力，代价是更大的证明尺寸。根据实际需求在二者之间做出选择，是构建高效、安全系统的关键。