zk snark

ZK-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) es una tecnología clave en criptografía que permite a una parte (el probador) demostrar a otra (el verificador) que una afirmación es cierta sin revelar información adicional más allá de la validez de dicha afirmación. En los ecosistemas de blockchain y criptomonedas, los ZK-SNARK se han consolidado como una herramienta fundamental para proteger la privacidad de las transacciones, mejorar la escalabilidad y posibilitar la verificación de cálculos fuera de la cadena. Gracias a principios matemáticos, esta tecnología logra que procesos de verificación complejos sean concisos y eficientes, manteniendo las propiedades de conocimiento cero y ofreciendo una solución innovadora para equilibrar privacidad y transparencia en la tecnología blockchain.

Antecedentes: Origen de ZK-SNARK

Los cimientos conceptuales de la tecnología ZK-SNARK se remontan a la década de 1980, cuando las pruebas de conocimiento cero fueron introducidas por primera vez como concepto teórico por los criptógrafos Shafi Goldwasser, Silvio Micali y Charles Rackoff. Sin embargo, ZK-SNARK, como implementación específica, fue desarrollado en 2012 por un grupo de investigadores entre los que destacan Alessandro Chiesa, Eran Tromer, Eli Ben-Sasson y otros.

El desarrollo de esta tecnología atravesó varias etapas clave:

1. Fase de investigación inicial: el paso de las pruebas de conocimiento cero teóricas a implementaciones prácticas se prolongó casi 30 años.
2. Período de avances técnicos: entre 2012 y 2014, los investigadores lograron las primeras construcciones viables de ZK-SNARK.
3. Etapa de aplicación en blockchain: en 2016, Zcash se convirtió en el primer proyecto de relevancia en implementar ZK-SNARK en blockchain para transacciones completamente anónimas.
4. Período de optimización y expansión: desde 2018 hasta la actualidad, los investigadores han optimizado el rendimiento de ZK-SNARK, reducido la necesidad de configuraciones de confianza y ampliado los casos de uso.

El desarrollo y la adopción de ZK-SNARK han impulsado notablemente la protección de la privacidad en blockchain, abriendo nuevas posibilidades para monedas de privacidad, soluciones de escalabilidad y verificación de contratos inteligentes.

Mecanismo de funcionamiento: cómo opera ZK-SNARK

El funcionamiento de ZK-SNARK se basa en criptografía avanzada y fundamentos matemáticos, con un mecanismo central que se divide en varias etapas clave:

1. Conversión del problema computacional: transformar la afirmación que se desea demostrar en una representación de circuito algebraico.
2. Polinomialización del problema: convertir el circuito algebraico en un sistema de restricciones polinómicas (normalmente un Programa Aritmético Cuadrático).
3. Configuración de confianza (generación de CRS): creación de una cadena de referencia común (CRS) que actúa como parámetro base para la demostración y verificación.
4. Generación de la prueba: el probador utiliza entradas privadas y la cadena de referencia común (CRS) para generar una prueba concisa.
5. Verificación de la prueba: el verificador comprueba relaciones matemáticas específicas entre la prueba y las entradas públicas para validar su veracidad.

ZK-SNARK presenta tres propiedades esenciales:

1. Conocimiento cero: el verificador no puede extraer ninguna información adicional de la prueba aparte de la veracidad de la afirmación.
2. Concisión: la prueba generada es extremadamente pequeña, normalmente solo unos cientos de bytes, y su verificación es muy rápida.
3. No interactividad: tras generar la prueba, el probador no necesita interactuar más con el verificador para completar la verificación.

En aplicaciones prácticas de blockchain, los ZK-SNARK se emplean habitualmente para comprobar la corrección de cálculos complejos mientras se protege información sensible, como detalles de transacciones, identidades de usuarios o estados de contratos inteligentes.

Riesgos y desafíos de ZK-SNARK

Pese a su potencial, la tecnología ZK-SNARK se enfrenta a diversos retos y riesgos:

1. Riesgos asociados a la configuración de confianza

   • Requiere terceros de confianza o computación multipartita para generar los parámetros iniciales.
   • Si el proceso de generación de parámetros se ve comprometido, podrían generarse pruebas falsas.
   • Si los materiales aleatorios utilizados en la generación de parámetros no se destruyen completamente, los actores maliciosos podrían explotarlos.

2. Complejidad técnica

   • Alto nivel de dificultad en la implementación, auditoría de código compleja y mayor riesgo de vulnerabilidades.
   • Los desarrolladores necesitan amplios conocimientos criptográficos.
   • Los usuarios tienen dificultades para comprender y verificar los mecanismos de seguridad subyacentes.

3. Requisitos de recursos computacionales

   • La generación de pruebas requiere una gran capacidad de cálculo y consume muchos recursos.
   • Uso limitado en dispositivos móviles o entornos con recursos restringidos.
   • Posibles cuellos de botella de rendimiento en aplicaciones a gran escala.

4. Amenazas de la computación cuántica

   • Las implementaciones de ZK-SNARK basadas en problemas de logaritmo discreto están expuestas a riesgos potenciales por la computación cuántica.
   • Es imprescindible desarrollar esquemas de pruebas de conocimiento cero seguros frente a la computación cuántica.

5. Desafíos regulatorios

   • Las exigencias regulatorias pueden entrar en conflicto con las transacciones completamente privadas, especialmente en lo relativo a la prevención del blanqueo de capitales y Conoce a tu cliente (KYC).
   • Cada jurisdicción adopta posturas diferentes respecto a las tecnologías de privacidad criptográfica, lo que puede limitar su adopción.

Para abordar estos retos, se han desarrollado alternativas como ZK-STARK (que no requiere configuración de confianza) y Bulletproofs (sin necesidad de configuración de confianza pero con pruebas de mayor tamaño), mientras los investigadores siguen optimizando el rendimiento y la seguridad de ZK-SNARK.

La tecnología ZK-SNARK supone un avance crucial en criptografía y blockchain. A pesar de sus desafíos, su valor en la protección de la privacidad y la escalabilidad sigue siendo notable. Conforme la tecnología madura y se perfecciona, los ZK-SNARK desempeñarán un papel fundamental en aplicaciones más amplias, proporcionando mayores garantías de privacidad para los ecosistemas blockchain.