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Zero-Knowledge (ZK) 101: Alles, was Sie über ZK-Studien wissen müssen

Gepostet von: Wolframwürfel

Von Jay White, Mitbegründer und Leiter der Raum- und Zeitforschung

ZK ist das Kryptowährungs-Schlagwort des Jahres, und das aus gutem Grund, aber wenn Sie kein Kryptograph oder Entwickler sind, fragen Sie sich vielleicht: Was genau ist ein wissensfreier Beweis (ZK-Beweis)?

Das Grundprinzip hinter ZK-Beweisen ist einfach, aber tiefgreifend: Sie ermöglichen einer Partei (dem Demonstrator), einer anderen Partei (dem Prüfer) effizient zu demonstrieren, dass sie über bestimmtes Wissen verfügt, ohne die Einzelheiten dieses Wissens preisgeben zu müssen.

Das Konzept entstand aus der Pionierarbeit einiger akademischer Forscher Mitte der 1980er Jahre und hat sich seitdem zu einem praktischen Mechanismus für überprüfbare Berechnungen entwickelt und den Grundstein für das moderne Web3-Ökosystem gelegt, in dem ZK-Beweise zunehmend integriert werden.

Die Entwicklung von ZK in Blockchain

Obwohl ZK-Beweise in der theoretischen Kryptographie schon lange vor der Geburt der Blockchain existierten, ist es der dezentrale Charakter der Blockchain, der ZK-Beweise in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt hat. Blockchain ist im Wesentlichen ein öffentliches Hauptbuch. Jede noch so triviale Transaktion wird aufgezeichnet und ist für jedermann einsehbar. Doch während Transparenz eine der größten Stärken der Blockchain ist, ist sie auch ihre Achillesferse, wenn es um die Privatsphäre der Nutzer geht.

Hier begann ZK, seine Stärke zu zeigen.

Die ZK-Studien befassen sich mit der Dichotomie zwischen Transparenz und Datenschutz im Blockchain-Bereich. Sie ermöglichen die Validierung von Transaktionen, ohne dass Transaktionsdetails preisgegeben werden, wodurch die Vertraulichkeit der Benutzer gewahrt bleibt und gleichzeitig die Unveränderlichkeit der Blockchain gewahrt bleibt. Mitte der 2010er Jahre begannen Projekte wie Zcash mit der Entwicklung von ZK-Protokollen, die private Transaktionen ermöglichten, was zu einem Anstieg des Interesses und der Einführung von ZK in Web3 führte. Aber im letzten Jahrzehnt oder so hat sich der Web3-Anwendungsfall für ZK-Beweise von der einfachen Wahrung der Privatsphäre zu einem der wohl wichtigsten Fortschritte der Blockchain-Technologie entwickelt: überprüfbare Off-Chain-Berechnungen.

Lösen Sie das Skalierbarkeitsproblem

Bevor wir die Bedeutung von überprüfbarem Off-Chain-Computing hervorheben können, müssen wir über die extremen Einschränkungen intelligenter Verträge sprechen. Smart Contracts sind grundsätzlich in dreierlei Hinsicht eingeschränkt:

  1. Arten von Daten, auf die sie zugreifen können: Intelligente Verträge können nur auf die grundlegendsten Datenpunkte in der Kette zugreifen (z. B. Wallet-Guthaben) und nicht nativ auf die meisten Daten in der Kette zugreifen, selbst auf einfache Daten wie Token-Preise oder auf Daten außerhalb der Kette .
  2. Blockchain-Speicherkapazität: Blockchains sind nicht für die Speicherung großer Datenmengen ausgelegt. Dies ist unerschwinglich teuer und ressourcenintensiv.
  3. Die Logik, die sie ausführen können: Ein Smart Contract kann nur eine sehr einfache bedingte Logik ausführen, ohne dass exorbitante Gasgebühren erforderlich sind.

Ohne eine Möglichkeit, jedes dieser Probleme zu lösen, kann sich die Blockchain nicht an die wachsenden Anforderungen eines wachsenden Web3-Ökosystems anpassen. Glücklicherweise hat sich mit der Weiterentwicklung von Web3 auch ZK weiterentwickelt. Während Projekte wie das Decentralized Oracle Network (DON) und das Cross-Chain Interoperability Protocol (CCIP) von Chainlink das erste Problem elegant gelöst haben, arbeiten mehrere ZK-Protokolle daran, die beiden anderen zu lösen.

Der eleganteste Weg, die Speicher- und Rechenbeschränkungen der Blockchain zu beseitigen, besteht darin, einige Daten und Rechenarbeit aus der Kette zu verlagern. Die Idee, Aktionen außerhalb der Kette ausführen zu können und einen ZK-Beweis zu verwenden, um eine Zusammenfassung dieser Aktionen prägnant und zuverlässig an die Hauptkette zu übermitteln, ohne alle zugrunde liegenden Daten zu übertragen, leitete ein neues Paradigma für die Blockchain-Technologie ein. Werfen wir einen Blick auf einige der Protokolle, die in diesem Bereich entwickelt werden.

Speicherlösungen: Dezentrale Speicherung, bewährt von ZK

Eine bekannte Lösung für das Blockchain-Speicherproblem sind dezentrale Off-Chain-Speichernetzwerke. Anstatt große Datenmengen zu speichern, muss die Blockchain nur kleinere Verweise auf diese Daten speichern, da diese auf der Off-Chain-Plattform gespeichert sind.

Es reicht jedoch nicht aus, Daten einfach außerhalb der Kette zu verschieben; Um sicherzustellen, dass Off-Chain-Daten verfügbar bleiben und nicht manipuliert werden (um sie wieder mit einem Smart Contract zu verknüpfen), ist ein ZK-Nachweis erforderlich. PoST von Filecoin ist ein großartiges Beispiel für diese Implementierung: Es liefert regelmäßige kryptografische Beweise für die kontinuierliche Datenspeicherung, stärkt das Vertrauen in das Netzwerk und verringert gleichzeitig die Datenlast aus der Hauptblockchain.

Zur Berechnung auflösen: Transaktions-Rollup

ZK -Rollups, vielleicht das Kronjuwel von ZK , haben sich als bevorzugte Lösung für die wachsende Nachfrage nach schnelleren und günstigeren Transaktionen auf L1s wie Ethereum herausgestellt. Anstatt jede Transaktion einzeln in der Hauptkette zu verarbeiten, was zu Überlastungen und höheren Gasgebühren führen kann, nehmen ZK-Rollups der Kette schwere Rechenarbeit ab, indem sie mehrere Transaktionen in einem einzigen „Rollup“ zusammenfassen.

Für jeden großen Transaktionsstapel, der von der Hauptkette verarbeitet wird, wird nur ein einziger kompakter Beweis zurückgegeben, der einen kryptografischen Beweis dafür liefert, dass diese Transaktionen korrekt waren. Die Hauptkette bleibt sicher, ohne direkt an der Überprüfung jeder einzelnen Transaktion beteiligt zu sein. ZK-Rollups verbessern nicht nur die Geschwindigkeit der Transaktionsverarbeitung, sondern schonen auch die Ressourcen der Hauptkette, wodurch die Produktivität erheblich gesteigert und die Transaktionsgebühren gesenkt werden. Zu den bemerkenswertesten ZK-Rollups gehören zkEVM von Polygon, zkSync von Matter Labs und STARKEx von Starkware.

Für einen detaillierten Einblick in zk-rollups schauen Sie sich unseren Podcast mit Gal Ron von Starkware an:

Die nächste Generation von ZK

Aber während Lösungen wie ZK-Proofs für dezentralen Speicher und ZK-Rollups sicherlich den Grundstein für die Erweiterung der Grenzen der Blockchain gelegt haben, fehlt immer noch ein entscheidender Teil. Einerseits sind dezentrale Speicherlösungen genau das: Speicherung.

Während die Speicherung an sich ein wichtiges Werkzeug ist, schränkt die Unfähigkeit dieser Plattformen, über den einfachen Datenabruf hinausgehende „Berechnungen“ durchzuführen, die Anwendungsfälle, die sie unterstützen können, stark ein. Und obwohl ZK-Rollups leistungsstarke Computerlösungen sind, die ein breites Spektrum an Computerfunktionen abdecken, schließen sie diese Lücke immer noch nicht vollständig.

Energieanwendungen im großen Maßstab

Kommen wir also zurück zur Idee der Skalierung der Blockchain: Was bedeutet das und wie sieht es aus? Wenn Sie den Blockchain-Stack mit dem herkömmlichen Anwendungs-Stack vergleichen, werden Sie einige offensichtliche Unterschiede feststellen. Im herkömmlichen SaaS werden Apps (auf der grundlegendsten Ebene) in drei Schritten betrieben:

  1. Abrufen des Ergebnisses einer Abfrage: Stellen Sie eine Frage zu den Daten und erhalten Sie eine Antwort.
  2. Ausführen einer Aktion: Ausführen einer Aufgabe basierend auf der Antwort.
  3. Status aktualisieren: Benachrichtigung des Systems darüber, dass die Aufgabe ausgeführt wurde.

Schauen wir uns ein paar Beispiele an:

Beispiel 1: Social-Media-Plattform

  1. Die App fragt Inhalte ab, die mit den Verbindungen eines Benutzers verknüpft sind, und erhält eine Rangfolge der relevantesten Inhalte.
  2. Die App zeigt den Inhalt im Feed des Benutzers an und der Benutzer sieht den Inhalt.
  3. Die App aktualisiert den Backend-Status, indem sie Inhaltsansichten/-interaktionen aufzeichnet (wodurch dann der Algorithmus angepasst wird).

Beispiel 2: Reisebuchungswebsite

  1. Die App fragt verfügbare Flüge ab und ermittelt die relevantesten.
  2. Die App wirbt dem Kunden für relevante Flugoptionen und der Kunde wählt einen Flug aus und kauft ihn.
  3. Die App aktualisiert die Verfügbarkeit und zeichnet die Buchungsdetails des Kunden auf.

In Web3 dient die Blockchain als Zustandsverwaltungsschicht und Smart Contracts führen Aktionen als willkürlichen Code aus, aber eine Schlüsselkomponente fehlt noch: Abfragen. Intelligente Verträge haben keine Möglichkeit, Fragen zu den Daten zu stellen. Sogar etwas so Einfaches wie „Welche Wallets hatten jemals 2 NFTs aus dieser Sammlung in meiner Kette?“ Es ist nicht möglich, nativ auf einen Smart Contract zu reagieren. Wenn wir die Vision von Web3 verwirklichen und die Blockchain so skalieren wollen, dass sie den Anforderungen von Unternehmensanwendungen gerecht wird, müssen wir Smart Contracts mit einer Möglichkeit ausstatten, vertrauenswürdig Fragen zu Daten in der eigenen Kette, in anderen Ketten und außerhalb der Kette zu stellen.

SQL-sicheres und überprüfbares Berechnungsniveau

Datenbank-Computing – im Wesentlichen die Fähigkeit, Fragen zu Daten zu stellen – wurde in der Vergangenheit auf zentralisierte, zuverlässige Lösungen wie PostgreSQL (für einfache Abfragen) oder Snowflake (für Analysen) beschränkt. Es gibt dezentrale Datenbanken, aber sie funktionieren nicht im gleichen Umfang oder in der gleichen Produktivität wie ihre zentralisierten Gegenstücke.

Und obwohl sich ZK weiterentwickelt hat, um überprüfbare Off-Chain-Berechnungen zu unterstützen, sind die entstandenen Lösungen begrenzt und fragmentiert, und kein ZK-Projekt befasst sich mit dem wichtigsten fehlenden Teil des Web3-Stacks: Abfragen.

Aus diesem Grund hat das Team von Space and Time den Proof of SQL erstellt: einen ZK-Proof, der die Größe eines Data Warehouse (einer Datenbank im Unternehmensmaßstab) mit der Überprüfbarkeit einer Blockchain vergleicht. Der SQL-Proof zeigt, dass für eine Datenbank ausgeführte Abfragen anhand der richtigen Daten korrekt berechnet werden und dass sowohl die Abfrage als auch die zugrunde liegenden Daten nicht manipuliert wurden. Dies ermöglicht Smart Contracts den Zugriff auf Off-Chain-Datenbank-Computing auf überprüfbare Weise, schließt die Abfragelücke in Web3 und ermöglicht Entwicklern die Erstellung vertrauenswürdiger NFTs, Protokolle und Finanzinstrumente auf der Grundlage von On-Chain-Daten.

Proof of SQL ermöglicht es dem dezentralen Data Warehouse von Space and Time, als überprüfbare Berechnungsschicht von Web3 zu dienen, kann aber auch mit jeder SQL-Datenbank, zentral oder dezentral, verbunden werden, um überprüfbare Abfrageergebnisse für Smart Contracts bereitzustellen.

Zusamenfassend

Da wir am Abgrund einer dezentralen Zukunft stehen, kann die Bedeutung von ZK-Versuchen für die Neugestaltung von Web3 nicht genug betont werden. Das Aufkommen von Lösungen wie Proof of SQL unterstreicht die transformative Kraft von ZK und erweitert seinen Nutzen weit über den einfachen Transaktionsdatenschutz hinaus. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Einführung der ZK-Technologie wird entscheidend zur Schaffung einer dezentralen Zukunft beitragen, die Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit vereint und neue Paradigmen der Sicherheit, Effizienz und Transparenz einleitet.

Über den Autor

Jay White ist Mitbegründer und Forschungsleiter bei Space and Time. Sein Hauptaugenmerk liegt auf der Erforschung, dem Design und der Implementierung des innovativen Datenbank-Manipulationsschutzmechanismus von Space and Time namens Proof of SQL.

Vor „Space and Time“ war Jay Mathematikprofessor, dessen Forschungsschwerpunkt auf rechnergestützten Mathematikproblemen lag. Jays Hintergrund in der Algorithmenentwicklung und algebraischen Forschung hat ihn in die einzigartige Lage versetzt, die theoretische Mathematik der Kryptographie mit der skalierbaren Implementierung zu verbinden, die zur Erstellung kryptografischer Garantien für Datenbanken im Unternehmensmaßstab erforderlich ist. Im Kern ist Jay ein leidenschaftlicher Problemlöser, Visionär und Forscher, der eine wesentliche Lösung für die Web3-Infrastruktur entwickelt.

Der Beitrag Zero-Knowledge (ZK) 101: Alles, was Sie über ZK-Proofs wissen müssen, erschien zuerst auf CryptoPotato .