zk-SNARKs: dari prinsip ke aplikasi

Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, proyek zero-knowledge proof (ZKP) dalam industri blockchain telah mengalami pertumbuhan yang pesat, terutama dalam aplikasi di bidang skalabilitas dan perlindungan privasi yang sangat diperhatikan. Namun, karena ZKP memiliki karakteristik matematis yang tinggi, pemahaman mendalam tentangnya menjadi sulit bagi para penggemar kripto biasa. Artikel ini akan mengupas teori dan aplikasi ZKP dari awal, serta membahas dampak dan nilai yang dimilikinya terhadap industri kripto, sebagai pembuka dari sebuah seri.

I. Perkembangan zk-SNARKs

Sistem bukti nol pengetahuan modern berasal dari teori sistem bukti interaktif yang diajukan oleh Goldwasser, Micali, dan Rackoff pada tahun 1985. Teori ini mengeksplorasi jumlah pengetahuan minimum yang perlu ditukarkan untuk membuktikan kebenaran suatu pernyataan melalui interaksi berulang dalam sistem interaktif. Jika pembuktian dapat dilakukan tanpa mengungkapkan informasi tambahan apa pun, itu disebut sebagai bukti nol pengetahuan.

Sistem zk-SNARKs awal memiliki efisiensi dan kegunaan yang kurang, sebagian besar masih berada di tingkat teori. Dalam dekade terakhir, dengan penerapan kriptografi yang luas di bidang cryptocurrency, zk-SNARKs secara bertahap menjadi arah penelitian yang penting. Di antara itu, mengembangkan protokol zk-SNARKs yang umum, non-interaktif, dan memiliki ukuran bukti yang kecil adalah salah satu tujuan kunci.

Terobosan penting dalam zero-knowledge proof adalah pendekatan non-interaktif berbasis pasangan pendek yang diajukan oleh Groth pada tahun 2010, yang menjadi dasar teori untuk zk-SNARKs. Pada tahun 2015, proyek Zcash pertama kali menerapkan zero-knowledge proof untuk perlindungan privasi transaksi, menciptakan kombinasi antara zk-SNARKs dan kontrak pintar.

Sejak itu, serangkaian hasil akademis terus mendorong pengembangan zk-SNARKs:

• Protokol Pinocchio tahun 2013 mengompresi waktu pembuktian dan verifikasi
• Algoritma Groth16 tahun 2016 menyederhanakan ukuran bukti dan meningkatkan efisiensi verifikasi
• Pada tahun 2017, Bulletproofs memperkenalkan zk-SNARKs yang ringkas dan non-interaktif.
• Pada tahun 2018, zk-STARKs mewujudkan sistem bukti tanpa pengaturan yang dapat dipercaya.

Selain itu, algoritma baru seperti PLONK dan Halo2 juga terus memperbaiki zk-SNARK.

Dua, Aplikasi Utama zk-SNARKs

zk-SNARKs saat ini terutama digunakan dalam dua arah, yaitu perlindungan privasi dan skalabilitas.

Perlindungan Privasi

Proyek transaksi privasi awal seperti Zcash dan Monero pernah mendapat perhatian besar, tetapi karena permintaan nyata tidak sesuai harapan, saat ini telah mundur ke posisi kedua.

Sebagai contoh Zcash, proses transaksi zk-SNARKs-nya mencakup: pengaturan sistem, generasi kunci, pencetakan koin, transaksi Pour, verifikasi, dan penerimaan. Namun, Zcash masih memiliki beberapa keterbatasan, seperti sulitnya skala berdasarkan model UTXO, dan rendahnya tingkat penggunaan transaksi privasi yang sebenarnya.

Tornado Cash menggunakan desain kolam campuran besar tunggal, berbasis jaringan Ethereum, yang memiliki kegunaan yang lebih baik. Ini dapat menjamin bahwa hanya koin yang disetorkan yang dapat diambil, dan setiap koin hanya dapat diambil sekali, dengan proses pembuktian yang terikat pada nullifier dan karakteristik lainnya.

perluasan

Skalabilitas ZK dapat diimplementasikan di jaringan lapisan satu ( seperti Mina ) atau jaringan lapisan dua ( yaitu ZK rollup ). ZK rollup terutama terdiri dari dua jenis peran: Sequencer yang bertanggung jawab untuk mengemas transaksi, dan Aggregator yang bertanggung jawab untuk menggabungkan transaksi dan menghasilkan zk-SNARKs, yang digunakan untuk memperbarui pohon status Ethereum.

Keuntungan ZK rollup terletak pada biaya rendah, finalitas cepat, dan perlindungan privasi, namun juga menghadapi tantangan seperti beban komputasi yang besar dan kebutuhan untuk pengaturan yang dapat dipercaya. Saat ini, proyek ZK rollup yang terkemuka termasuk StarkNet, zkSync, Aztec Connect, Polygon Hermez/Miden, Loopring, Scroll, yang masing-masing memiliki fokus berbeda dalam pemilihan SNARK/STARK dan kompatibilitas EVM.

Kecocokan EVM adalah tantangan besar yang dihadapi sistem ZK. Beberapa proyek memilih untuk mengembangkan mesin virtual dan bahasa pemrograman khusus, sementara yang lain berfokus pada pencapaian kompatibilitas penuh dengan Solidity. Kemajuan cepat dalam kecocokan EVM baru-baru ini memberikan lebih banyak pilihan bagi para pengembang.

Tiga, Prinsip Dasar ZK-SNARKs

ZK-SNARK(zk-SNARKs) adalah salah satu sistem pembuktian pengetahuan nol yang paling banyak digunakan saat ini. Ini memiliki karakteristik berikut:

• zk-SNARKs: tidak mengungkapkan informasi tambahan
• Sederhana: ukuran verifikasi kecil
• Non-interaktif: Tidak perlu interaksi berulang kali
• Keandalan: Pembuktian oleh penjual dengan kemampuan komputasi terbatas tidak dapat memalsukan bukti
• Pengetahuan: Pembuktian harus mengetahui informasi yang valid untuk membangun bukti

Proses pembuktian ZK-SNARK versi Groth16 terutama mencakup:

1. Mengubah masalah menjadi rangkaian
2. Mengubah sirkuit menjadi bentuk R1CS
3. Mengonversi R1CS ke bentuk QAP
4. Membangun pengaturan yang dapat dipercaya, menghasilkan kunci bukti dan kunci verifikasi
5. Menghasilkan dan Memverifikasi Bukti zk-SNARKs

Proses ini menetapkan dasar untuk aplikasi praktis ZK-SNARKs. Artikel selanjutnya akan mengeksplorasi lebih lanjut tentang prinsip ZK-SNARKs, contoh aplikasi, serta perbandingan dengan ZK-STARK.