深入剖析 zk-SNARK 可信设置：多方计算、风险降低与 Zcash 实践

zk-SNARK（零知识简洁非交互式知识证明）技术在区块链隐私保护领域扮演着重要角色。但是，zk-SNARK 的安全性高度依赖于“可信设置”（Trusted Setup）。你可能会好奇，这个神秘的“可信设置”究竟是什么？它为什么如此重要？又该如何保证其安全性？本文将为你深入剖析 zk-SNARK 的可信设置过程，探讨如何通过多方计算降低风险，并以 Zcash 的可信设置仪式为例，揭开其神秘面纱。

1. 什么是 zk-SNARK 的可信设置？

在深入探讨之前，我们先来理解 zk-SNARK 的基本概念。zk-SNARK 允许一方（证明者）向另一方（验证者）证明某个陈述是真实的，而无需透露任何关于该陈述的具体信息。例如，我可以向你证明我知道某个方程的解，而无需告诉你这个解是什么。

zk-SNARK 的实现依赖于一些秘密参数，这些参数在“可信设置”阶段生成。这些参数包括用于生成证明的“证明密钥”（Proving Key）和用于验证证明的“验证密钥”（Verification Key）。这些密钥对是公开的，任何人都可以使用它们来生成和验证证明。但是，生成这些密钥对的过程需要一些秘密的“毒药”（toxic waste）信息。如果这些“毒药”信息泄露，恶意方就可以伪造证明，破坏整个系统的安全性。

因此，“可信设置”的核心目标就是：生成公开的证明密钥和验证密钥，同时确保“毒药”信息被安全销毁，不落入任何人手中。

2. 为什么需要可信设置？

你可能觉得奇怪，为什么非要搞一个“可信设置”这么麻烦？直接生成密钥对不行吗？

问题在于，如果直接由一个人或一个中心化机构生成密钥对，那么这个人或机构就掌握了“毒药”信息，存在单点故障和作恶的风险。一旦他们泄露或滥用这些信息，整个系统的安全性将荡然无存。

“可信设置”的目的就是为了消除这种单点故障和信任风险。通过精心设计的流程，确保“毒药”信息在生成后立即被销毁，或者从未以完整形式存在过，从而保证系统的安全性。

3. 如何进行可信设置？

“可信设置”通常采用多方计算（Multi-Party Computation，MPC）的方式进行。MPC 允许多个参与者共同参与一个计算过程，每个参与者只掌握一部分秘密信息，任何单个参与者都无法获得完整的“毒药”信息。只有所有参与者合作，才能完成计算并生成最终的密钥对。

3.1 多方计算（MPC）的基本原理

MPC 的基本思想是将一个秘密信息拆分成多个碎片，分发给不同的参与者。每个参与者只知道自己手中的碎片，而不知道其他参与者的碎片。通过一系列的交互和计算，参与者可以在不泄露各自碎片信息的前提下，共同完成计算任务。

想象一下，你要计算一个秘密数字的平方。你可以将这个数字拆分成三个部分，例如，秘密数字是 10，你可以将其拆分成 2、3 和 5（2 + 3 + 5 = 10）。然后，你将这三个部分分别交给三个参与者。每个参与者计算自己手中数字的平方，然后通过一系列的交互和计算，最终得到 100（10 的平方），而每个参与者都不知道原始的秘密数字是 10。

3.2 多方计算在可信设置中的应用

在 zk-SNARK 的可信设置中，MPC 用于生成证明密钥和验证密钥。参与者共同生成密钥对，但每个参与者只掌握一部分“毒药”信息。只要有一个参与者是诚实的，并且销毁了自己手中的“毒药”信息，整个系统的安全性就能得到保证。

这是因为，即使其他所有参与者都是恶意的，他们也无法拼凑出完整的“毒药”信息，从而无法伪造证明。

4. Zcash 的可信设置仪式

Zcash 是最早采用 zk-SNARK 技术的加密货币之一，其可信设置仪式备受瞩目。Zcash 团队非常重视可信设置的安全性，采用了非常严谨和公开透明的方式进行。

Zcash 的第一次可信设置仪式（被称为“Sprout”系列）于 2016 年举行，共有六名参与者。每个参与者都在一个隔离的环境中生成自己的秘密碎片，并与其他参与者进行交互和计算。整个过程被详细记录和公开，以确保其透明度和可审计性。

Zcash 的第二次可信设置仪式（被称为“Sapling”系列）于 2018 年举行，采用了更为先进的多方计算协议，参与者数量增加到 88 个。这次仪式更加强调了安全性、可扩展性和去中心化。

Zcash 的可信设置仪式为其他采用 zk-SNARK 技术的项目提供了宝贵的经验和参考。

5. 可信设置的挑战与未来发展

尽管多方计算可以有效降低可信设置的风险，但仍然存在一些挑战：

• 参与者选择： 如何选择可信的参与者是一个关键问题。参与者需要具备一定的技术能力和声誉，以确保他们能够正确执行协议并销毁“毒药”信息。
• 协议复杂性： 多方计算协议的设计和实现非常复杂，需要专业的密码学知识。
• 仪式规模： 随着参与者数量的增加，仪式的复杂性和协调难度也会增加。
• 人为因素: 即便技术上再完美, 依旧有社会工程学的风险, 如何保证参与者不被胁迫也是个难题.

为了应对这些挑战，研究人员正在不断探索新的可信设置方案，例如：

• 通用可信设置（Universal Trusted Setup）： 这种方案只需要进行一次可信设置，就可以用于多个不同的 zk-SNARK 应用，降低了可信设置的成本和复杂性。
• 无需可信设置的 zk-SNARK： 这是 zk-SNARK 研究的终极目标，但目前还处于理论研究阶段。

6. 总结

zk-SNARK 的可信设置是保证其安全性的关键环节。通过多方计算，可以有效降低单点故障和信任风险。Zcash 的可信设置仪式为业界提供了宝贵的实践经验。尽管可信设置仍然面临一些挑战，但随着技术的不断发展，我们有理由相信，zk-SNARK 的安全性将得到进一步提升，并在更多领域发挥重要作用。

希望通过本文的介绍，你对 zk-SNARK 的可信设置有了更深入的了解。记住，可信设置是 zk-SNARK 技术信任的基石，理解它的原理和实践对于正确使用和评估 zk-SNARK 技术至关重要。