三分鐘了解新型零知識證明方案Virgo(處女座)

導讀:這周我們先通過兩篇科普文章了解零知識證明的概念,再來了解由“計算機安全教母”宋曉冬教授等人提出的新型零知識證明方案Virgo(處女座)。

而在硬核技術文章周選部分,我們還會看到比特幣技術年度總結、ETH2.0中繼者網絡與手續費機制、區塊鏈分層模型新思路的內容。

另外,由V神提出的新方案,可能會加快ETH 2.0的整體落地進度。

以下是上周內容的精選回顧,enjoy ~

一、理解零知識證明,新型零知識證明方案Virgo(處女座)又長什么樣?
 
關于區塊鏈的隱私問題,我們經常會提到零知識證明(ZKP)方案,它們可允許證明者說服驗證者一個語句是真的,而不會泄露任何超出聲明有效性的額外信息。

近年來,零知識證明協議在計算委托、匿名證書、隱私保護加密貨幣智能合約方面已經取得了巨大的進展。而在進入這周的學術論文分享之前,我們需要先來了解一下零知識證明的概念,因此先推薦兩篇科普好文:

1 零知識證明學習筆記:背景與起源

文章由斯坦福大學密碼學學者東澤提供,其先從比特幣的保密性不足問題入手,然后談到CoinJoin、保密交易(CT)這兩個比特幣隱私提升方案所存在的弊端,接著他講到ZCash所使用的零知識證明方案zk-SNARKs及其潛在的應用。
文章鏈接:https://www.8BTC.com/media/537030

2 郭宇:3分鐘搞懂零知識證明,為何它是一把雙刃劍?

由安比實驗室創始人、數字資產研究院學術與技術委員郭宇分享的《零知識證明,區塊鏈技術缺失的一環》演講內容(經巴比特記者整理),談到了零知識證明概念的由來,以及用地圖三染色問題來解釋零知識證明的基本概念,此外,2018年3月1日,ZCash團隊成員在論文 [BCTV14] 附錄B中的一個致命錯誤,可被用于無限造幣,這也提醒了人們零知識證明協議離不開形式化驗證。
文章鏈接:https://www.8btc.com/article/537797

盡管研究進展是顯著的,但很多零知識證明(ZKP)方案仍存在著一些局限性,例如上面提到的zk-SNARKs,它就需要一個可信的設置階段來生成結構化引用字符串(SRS),而如果該陷門被泄露,那么系統的安全性將被破壞。

為了解決這一問題,最近有很多零知識證明(ZKP)方案的設計都移除了對可信設置的需求。

而來自加州大學伯克利分校及德克薩斯A&M大學的四位研究者(包括Yupeng Zhang 、Jiaheng Zhang、Tiancheng Xie 和 Dawn Song (宋曉冬))則將這類ZKP方案稱為透明零知識證明(ZKP)協議,他們還根據Goldwasser等人提出的雙有效交互式證明GKR方案,提出了一個具有簡潔證明大小和驗證時間的高效透明ZKP系統。

原論文鏈接:https://eprint.iacr.org/2019/1482.pdf

而這一研究論文,已被安全與隱私頂級會議IEEE S&P 2020接受。


看上去是不是感覺“灰常膩害呢”!不妨來具體看看這個協議到底長啥樣吧!

根據論文介紹,該研究的貢獻大致可被分為3點:

1. 透明零知識可驗證多項式委托(Transparent zero knowledge verifiable polynomial delegation):研究者們提出了一種新的無需可信設置的零知識可驗證多項式委托(zkVPD)方案。與現有基于配對的密鑰分配方案相比,這種新方案不需要陷門和線性大小公鑰,其消除了模冪運算和雙線性配對等繁重的密碼運算;

2. 透明的零知識論證(Transparent zero knowledge argument):研究者們將新的zkVPD協議與GKR協議有效地結合起來,從而得到了一個透明的ZKP方案,這一方案只使用了輕量級的密碼學原語(例如抗碰撞的散列函數,因此可能是抗量子計算的);

3. 在新方案的基礎上,研究者們實現了一個名為Virgo(處女座)的ZKP系統,它是研究者們上一個ZKP方案Libra(不要誤會,并不是Facebook的Libra哦)的升級版本,而他們還計劃開源這一系統;

Virgo(處女座)與其它零知識證明方案的對比

上面,我們簡單介紹了這項研究的主要貢獻,為了節省時間,我們直接跳過非常復雜的技術描寫而看結論,這一研究中主要的技術貢獻是一個新的具有O(N log N)證明者時間、33證明大小和驗證時間的透明zkVPD方案(其中的N代表多項式的大?。?。

另外,研究者實施的零知識證明系統Virgo(處女座)是用C++實現的,其中透明zkVPD協議大約有700行代碼,而GKR部分則有2000行代碼。

在單臺服務器條件下進行實驗后,研究者們將其與其它6種ZKP方案(包括Libra、Ligero、Bulletproofs、Hyrax、Stark以及Aurora)進行了比較,結果如下圖顯示:


其中,在前兩個基準上,Virgo(處女座)相比Libra要優化了7-10倍,而在第三個基準上則要快3-5倍,而這種優化便是來自于研究者們新提出的高效zkVPD。

而與其它透明ZKP系統相比,從實際證明者時間來看,Virgo是這些系統中表現最好的,它要比其它系統至少快一個數量級,而在驗證時間的對比上,Virgo的表現也是非常出眾的。

例如,驗證一個256個子葉的Merkle樹,2^26個門的電路構造,Virgo只需要花費50 毫秒的時間,它的驗證時間與ZK-Stark是可競爭的。

而在證明大小方面,它要比Bulletproofs(防彈證明)更大一些,類似于Hyrax、Stark以及Aurora。


zkVPD和新ZKP方案的應用場景

最后,在這篇論文中,研究者們提出了新方案適用的三個應用場景,分別如下:

1. 可驗證秘密共享;
2. 提升區塊鏈項目的隱私性;
3. 大規模零知識證明:除了區塊鏈之外,也有很多其它應用需要證明大型聲明的ZKP,例如美國國防高級研究計劃局(DARPA)最近打算使用ZKP來證明復雜程序的行為,而不泄露敏感信息,而這樣的應用需要將ZKP方案擴展到具有數十億門的電路。

灑脫喜簡評:2019年,零知識證明研究領域迎來了多個新的方案,而“無需可信設置”、“較小驗證大小”、“較短證明者(p)時間和驗證(v)時間”,已經成為了優秀ZKP方案的“標配”,盡管Virgo(處女座)方案是在單服務器條件下進行的測試,但其呈現出來的結果是令人感到驚喜的,至于該方案的具體實現及潛在的問題,就等研究者們去細心探索了(尤其是它在多服務器條件下的表現,這是論文中沒有提到的)。

二、硬核技術文章一周精選
 
2、1 比特幣技術年度最全總結

由BiTCOin Optech總結的2019年比特幣技術進展文章,其回顧了比特幣技術項目代碼庫近9000次commit(近2000次合并)、1500多個郵件列表帖子、數千行IRC日志以及其它很多公共來源。

以下是每個月中最顯著的技術進展:

1月:BIP127儲備證明;
2月:(1)兼容硬件錢包接口的Bitcoin Core,(2)Miniscript;
3月:(1)共識清理軟分叉提議,(2)Signet,(3)Lightning Loop;
4月:(1)AssumeUTXO,(2)Trampoline支付;
5月:(1)Taproot,(2)SIGHASH_ANYPREVOUT,(3)OP_CHECKTEMPLATEVERIFY;
6月:(1)Erlay和其它P2P中繼改善,(2)閃電網絡暸望塔(Watchtower);
7月:Guix
8月:無契約金庫
9月:(1)SNICKER,(2)發現閃電網絡漏洞;
10月:LN錨輸出;
11月:(1)Bech32,(2)移除Bitcoin Core中的OpenSSL,(3)移除Bitcoin Core中的BIP70;
12月:閃電網絡多路徑支付

完整原文鏈接:https://bitcoinops.org/en/newsletters/2019/12/28/

灑脫喜簡評:可能是目前市場上介紹2019年比特幣技術進展最全的一篇文章,比特幣迎來了一系列增量改進解決方案,而其中有很多內容是被大家忽略了,有興趣的可以了解下。

2、2 干貨 | Eth2.0 的中繼者網絡與手續費機制

來自以太坊 2.0 研究者John Adler的技術總結文章(由IAN LIU & 阿劍翻譯),其重點關注了以太坊2.0 的中繼網絡及手續費機制。其中,每種提案都有其不同的權衡取舍,而且被不同的平臺所采用,因此做一次合理且全面的匯總,能讓新入門的研究者更快上手。
文章鏈接:https://www.8btc.com/media/539143

2、3  Vitalik :基礎層和功能逃逸速度,論并行開發layer 1和layer 2的必要性

以太坊聯合創始人Vitalik Buterin在其最新發布的博文《基礎層和功能逃逸速度》中提到,“保持 layer 1簡單,使用layer 2來彌補不足” 并不是解決區塊鏈可擴展性和功能性問題的普遍答案,因為這種思路沒有考慮到layer 1區塊鏈本身必須要具有足夠的可擴展性和功能性,否則所謂的layer 2協議只是可信的中介。在這篇文章中,Vitalik提出了“功能逃逸速度”的概念,他還表示,短期內我們需要并行開發layer 1與 layer 2 ,而長期則要更關注layer 2的開發。

文章鏈接:https://www.8btc.com/article/539384

灑脫喜簡評:V神解釋了layer 1在具備三種條件下(1、包括一種可驗證任意內容的編程語言,2、豐富的有狀態性,3、充分的數據可擴展性和低延遲),即可使得layer 2在無需可信中介的情況下進行部署,因此他建議短期內我們仍要并行開發layer 1和layer 2。

一般認為,用戶對layer 2的去中心化屬性并沒有太大的要求,但如果能夠在實現高性能的情況下再去實現去中心化,感覺是不是很美呢?咦,似乎又會導致一些安全問題哦,原文https://vitalik.ca/general/2019/12/26/mvb.html下有相關的評論。

三、主流區塊鏈項目技術進展
 
3、1  Vitalik Buterin發布重磅新提案,讓ETH 1.0鏈作為分片0,更快遷移到ETH 2.0
上周,以太坊聯合創始人Vitalik Buterin提出了一種將ETH 1.0數據遷移到ETH 2.0的更快方法,這種方案需要用到無狀態客戶端,但不需要無狀態的礦工和Web程序集,因此需要更少的重構工作,而ETH 1.0將作為ETH 2.0 的分片0而存在。
原帖:https://ethresear.ch/t/alternative-proposal-for-early-eth1-eth2-merge/6666/13

灑脫喜簡評:這一提案有望加快ETH 2.0的整體落地進度,但它的第0階段(Phase 0)似乎依舊還要等待半年以上的時間,而眼前以太坊還將面臨一次非常重要的更新 ——“繆爾冰川”硬分叉,它將拆除難度炸彈,使得以太坊的區塊時間逐漸恢復至正常的14.3s左右,這預計將在3天后發生(北京時間2020年1月2日下午)。(吐槽:開發者們也要過節日咯,這周研發進度更新內容就只有這些咯)

本周的精彩內容就到這里啦,下周再見~

來源: 巴比特 作者:灑脫喜


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