zk-SNARK 可信设置：多方计算筑牢隐私保护基石

最近几年，零知识证明（Zero-Knowledge Proof，ZKP）技术，特别是 zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）技术，火遍了整个区块链和密码学领域。你可能经常听到“零知识证明”、“zk-SNARK”、“电路”、“可信设置”等等这些词汇，但它们究竟是什么意思，相互之间又有什么关系呢？今天咱们就来聊聊 zk-SNARK 的核心概念之一——可信设置，以及它与多方计算（MPC）之间千丝万缕的联系。

什么是 zk-SNARK？

在深入了解可信设置之前，我们先简单回顾一下 zk-SNARK 的概念。想象一下这样一个场景：你想向朋友证明你拥有某个秘密信息（比如一个复杂谜题的答案），但又不想泄露这个秘密的具体内容。zk-SNARK 就能帮你实现这个目标。

zk-SNARK 是一种特殊的密码学证明技术，它允许你（证明者）向另一个人（验证者）证明某个陈述是真实的，而无需透露任何有关陈述本身的额外信息。举个例子，你可以用 zk-SNARK 证明你知道一个特定哈希值的原像，而无需告诉验证者这个原像是什么。

zk-SNARK 的名字里包含了几个关键特性：

• Zero-Knowledge（零知识）: 验证者除了知道陈述是真实的之外，不会获得任何其他信息。
• Succinct（简洁）: 证明的大小很小，验证过程非常快。
• Non-Interactive（非交互式）: 证明者只需生成一个证明，验证者就可以独立验证，无需双方进行多轮交互。
• Argument of Knowledge（知识论证）: 证明者必须“知道”某个秘密信息（称为“witness”），才能生成有效的证明。

为什么要进行可信设置？

zk-SNARK 的强大功能背后，依赖于一个关键的环节——可信设置（Trusted Setup）。这个过程会生成一些公共参数，这些参数是生成和验证 zk-SNARK 证明所必需的。你可以把这些公共参数想象成一把“锁”，只有拥有“钥匙”的人才能制造出能够开锁的“钥匙”（即证明）。

问题来了，如果生成这把“锁”的人偷偷保留了“钥匙”，他岂不是可以制造出任意的“假钥匙”，从而伪造证明，欺骗验证者吗？没错，这就是可信设置的核心风险所在。如果可信设置过程不安全，整个 zk-SNARK 系统的安全性就会受到威胁。

更具体地说，可信设置会生成一些被称为“toxic waste”（有毒废料）的秘密参数。这些参数必须被安全地销毁，否则，知道这些参数的恶意方就可以伪造证明。就好比你家房子的钥匙模具，如果落入坏人手中，后果不堪设想。

可信设置的流程是怎样的？

可信设置通常分为两个阶段：

1. 生成 CRS（Common Reference String，通用参考字符串）：这是可信设置的核心产物，包含了用于生成和验证证明的公共参数。你可以把它理解为 zk-SNARK 系统的“基石”。
2. 销毁“toxic waste”：生成 CRS 的过程中产生的秘密参数必须被安全地销毁，确保没有人能够获取它们。

可信设置面临哪些挑战？

可信设置的最大挑战在于如何确保“toxic waste”被彻底销毁，并且没有人能够获取它们。常见的风险包括：

• 单点故障：如果可信设置由单个参与者完成，那么这个参与者就拥有了“上帝模式”，可以随意伪造证明。一旦这个参与者被攻击或背叛，整个系统就会崩溃。
• 内部攻击：即使有多个参与者，如果其中有人串通，或者某个参与者的设备被黑客入侵，也可能导致“toxic waste”泄露。
• 人为错误：在销毁“toxic waste”的过程中，任何疏忽或错误都可能导致秘密参数泄露。

多方计算（MPC）如何解决这些挑战？

为了解决上述挑战，人们引入了多方计算（MPC）技术。MPC 允许多个参与者共同参与计算，而无需向其他参与者透露自己的输入。在可信设置中，MPC 可以让多个参与者共同生成 CRS，而无需任何一方知道完整的“toxic waste”。

想象一下，几个人想一起计算他们的平均工资，但又不想告诉别人自己的具体工资是多少。MPC 就能帮助他们实现这个目标。每个人只需要输入自己的工资，MPC 协议就会自动计算出平均值，而无需每个人透露自己的工资。

在 zk-SNARK 的可信设置中，MPC 的工作原理类似。每个参与者都贡献一部分随机性，共同生成 CRS。只要其中至少有一个参与者是诚实的，并且没有泄露自己的随机性，那么整个可信设置就是安全的。即使其他所有参与者都串通，也无法伪造证明。

MPC 可信设置的流程

基于 MPC 的可信设置通常遵循以下步骤：

1. 初始化：每个参与者生成自己的秘密份额。
2. 多轮计算：参与者之间进行多轮交互，每轮都会生成一些中间参数。
3. 生成 CRS：经过多轮计算后，最终生成 CRS。
4. 销毁秘密份额：每个参与者销毁自己的秘密份额。

真实案例：Zcash 的可信设置仪式

Zcash 是第一个广泛使用 zk-SNARK 技术的加密货币，它的可信设置仪式非常有名。Zcash 团队采用了 MPC 方案，邀请了多个参与者共同生成 CRS。为了确保安全性，他们采取了各种措施，包括：

• 隔离环境：仪式在一台没有连接互联网的计算机上进行。
• 多方参与：邀请了来自不同背景的多个参与者。
• 公开透明：整个过程被详细记录，并向公众公开。
• 销毁证据：仪式结束后，用于生成 CRS 的计算机被物理销毁。

尽管 Zcash 的可信设置仪式已经非常严谨，但仍然存在一些争议。有人质疑参与者之间是否存在串通的可能性，也有人担心仪式过程中可能存在未被发现的安全漏洞。这些争议表明，可信设置仍然是一个充满挑战的领域。

可信设置的未来发展

为了进一步提高可信设置的安全性，研究人员正在探索各种新的方法，包括：

• 通用可信设置：这种方法允许一次性生成 CRS，然后将其用于多个不同的 zk-SNARK 应用，从而减少了重复进行可信设置的需要。
• 可更新的可信设置：这种方法允许在不影响现有证明的情况下，更新 CRS，从而提高了系统的灵活性和安全性。
• 无需可信设置的 zk-SNARK：这是 zk-SNARK 研究的“圣杯”，如果能够实现，将彻底消除可信设置带来的安全风险。目前，已经有一些无需可信设置的 zk-SNARK 方案被提出，但它们通常在性能或安全性方面存在一些折衷。

总结

zk-SNARK 的可信设置是确保系统安全性的关键环节。虽然 MPC 技术大大降低了可信设置的风险，但仍然存在一些挑战。随着技术的不断发展，我们有理由相信，未来会出现更加安全、高效和可靠的可信设置方案，为 zk-SNARK 技术的广泛应用奠定坚实的基础。对于咱们普通用户和开发者，了解可信设置的基本原理，有助于我们更好地评估和使用基于 zk-SNARK 的应用，避免不必要的风险。下次当你再听到“可信设置”这个词时，希望你不再感到陌生和困惑。