zk-SNARKs : de la théorie à la pratique

Les zk-SNARKs(ZKP) ont connu un développement rapide ces dernières années dans l'industrie de la blockchain, en particulier en ce qui concerne les applications d'extension et de protection de la vie privée. Étant donné que les ZKP impliquent des principes mathématiques complexes, il est relativement difficile pour les amateurs de cryptographie ordinaires de les comprendre. Cet article examinera l'histoire du développement des ZKP, des exemples d'applications et des principes de base, et explorera leur impact et leur valeur dans l'industrie des cryptomonnaies.

I. L'évolution des zk-SNARKs

Le système moderne des zk-SNARKs trouve son origine dans l'article publié en 1985 par Goldwasser, Micali et Rackoff intitulé "La complexité des connaissances des systèmes de preuve interactifs". Cet article explore la quantité de connaissances échangées nécessaire pour prouver la validité d'une assertion à travers plusieurs interactions dans un système interactif. Si la quantité de connaissances échangées est nulle, cela s'appelle un zk-SNARK.

Les premiers systèmes de zk-SNARKs présentaient des insuffisances en matière d'efficacité et de praticité, restant principalement au niveau théorique. Au cours de la dernière décennie, avec l'essor de la cryptographie dans le domaine des cryptomonnaies, les zk-SNARKs sont progressivement devenus une direction de recherche importante. Parmi les objectifs clés figure le développement de protocoles de zk-SNARKs universels, non interactifs et de petite taille.

Une percée majeure dans les zk-SNARKs a été l'article de Groth publié en 2010 intitulé "Preuves non interactives courtes basées sur des appariements", qui a établi la base théorique pour les zk-SNARKs. Sur le plan des applications, le système de preuve à connaissance nulle utilisé par Zcash en 2015 a mis en œuvre la protection de la confidentialité des transactions, favorisant la combinaison des zk-SNARKs avec les contrats intelligents et élargissant les cas d'utilisation.

D'autres résultats académiques importants incluent :

• Le protocole Pinocchio de 2013
• L'algorithme Groth16 de 2016
• L'algorithme Bulletproofs de 2017
• Le protocole zk-STARKs de 2018

De plus, les nouvelles avancées comme PLONK et Halo2 ont également amélioré les zk-SNARKs.

II. Les principales applications des zk-SNARKs

protection de la vie privée

Les transactions privées sont l'une des premières applications des zk-SNARKs. Les projets représentatifs incluent Zcash et Tornado Cash utilisant des SNARK, ainsi que Monero utilisant Bulletproof. Prenons Zcash comme exemple, les étapes de transaction utilisant des zk-SNARKs comprennent : la configuration du système, la génération de clés, le minting, le dumping, la validation et la réception.

Cependant, la demande réelle pour les transactions privées n'est pas aussi forte que prévu. En revanche, la demande pour l'évolutivité devient de plus en plus pressante.

Plan d'extension

Avec le passage d'Ethereum 2.0 à une approche centrée sur les rollups, les solutions d'extensibilité basées sur zk-SNARKs redeviennent un point focal dans l'industrie. Les ZK rollups ont deux rôles principaux : le Sequencer qui est responsable de l'emballage des transactions, et l'Aggregator qui est chargé de fusionner les transactions et de générer des preuves.

Les projets ZK rollup compétitifs sur le marché actuel incluent : StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll, etc. Ces projets se concentrent principalement sur le choix de SNARK( et de ses versions améliorées ) et de STARK, ainsi que sur le niveau de support de l'EVM.

La compatibilité des systèmes ZK avec l'EVM a toujours été un point difficile. Les projets ont souvent à faire un compromis entre les caractéristiques ZK et la compatibilité avec l'EVM. Ces dernières années, l'itération rapide de la technologie a considérablement amélioré la compatibilité EVM, ce qui aura un impact sur l'écosystème de développement ZK et le paysage concurrentiel.

Trois, les principes de base des zk-SNARKs

ZK-SNARK représente "zk-SNARKs", doté des caractéristiques suivantes :

• zk-SNARKs: le processus de preuve ne divulgue pas d'informations supplémentaires
• Concis : validation de petit volume
• Non interactif : pas besoin de plusieurs interactions
• Fiabilité : les prouveurs avec une capacité de calcul limitée ne peuvent pas falsifier les preuves
• Connaissance: Le prouveur doit connaître des informations valides pour construire la preuve

Prenons l'exemple du zk-SNARK Groth16, dont le principe de preuve comprend les étapes suivantes :

1. Convertir le problème en circuit
2. Convertir le circuit en forme R1CS
3. Conversion de R1CS en forme QAP
4. Établir des configurations de confiance, générer des paramètres aléatoires
5. Génération et vérification des preuves zk-SNARKs

La technologie des zk-SNARKs passe de la théorie à la pratique, jouant un rôle de plus en plus important dans le domaine de la blockchain. À l'avenir, elle devrait apporter davantage d'applications innovantes en matière de protection de la vie privée et d'évolutivité.