Tinjauan Komprehensif Teknologi zk-SNARKs dan Perkembangan Terbaru di Bidang Blockchain

Ringkasan

zk-SNARKs(ZKP) teknologi sebagai salah satu inovasi terpenting di bidang blockchain, telah menarik perhatian luas dari dunia akademis dan industri. Artikel ini memberikan tinjauan sistematis tentang perkembangan ZKP selama hampir empat puluh tahun dan penelitian terbaru, dengan fokus pada analisis teknologi ZKP berbasis sirkuit, ZKVM, ZKEVM, serta lingkungan komputasi lainnya, dan solusi skala Layer 2 seperti ZK Rollup. Artikel ini juga membahas konsep-konsep baru seperti ZKCoprocessor, ZKML, ZKThreads, dan memproyeksikan prospek aplikasi ZKP dalam hal skalabilitas, interoperabilitas, dan perlindungan privasi di blockchain. Melalui analisis komprehensif tentang perkembangan teknologi dan tren aplikasi ZKP, artikel ini memberikan perspektif sistematis untuk memahami dan menerapkan teknologi ZKP, serta menunjukkan potensi besar dalam meningkatkan efisiensi dan keamanan sistem blockchain.

Daftar Isi

1. Pendahuluan
2. Pengetahuan Dasar zk-SNARKs
3. Zero-Knowledge Proof Non-Interaktif
4. Pembuktian nol-pengetahuan berbasis sirkuit
5. Model zk-SNARKs
6. Ringkasan dan Pengembangan zk-SNARKs Virtual Machine
7. Ringkasan dan Pengembangan zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine
8. Rangkuman dan Perkembangan Solusi Jaringan Layer Dua zk-SNARKs
9. Arah pengembangan masa depan zk-SNARKs
10. Kesimpulan

1. Pendahuluan

Dengan pesatnya perkembangan teknologi Blockchain, jutaan transaksi terjadi setiap hari di berbagai platform. Data besar yang dihasilkan dari transaksi ini seringkali mengandung informasi pribadi yang sensitif, seperti identitas pengguna, jumlah transaksi, alamat akun, dan lain-lain. Karena sifat terbuka dan transparan dari Blockchain, data ini dapat dilihat oleh semua orang, sehingga menimbulkan berbagai masalah keamanan dan privasi.

Saat ini, ada beberapa teknologi kriptografi yang dapat menghadapi tantangan ini, termasuk kriptografi homomorfik, tanda tangan cincin, komputasi multi-pihak yang aman, dan zk-SNARKs. Di antara ini, zk-SNARKs ( ZKP ) sebagai solusi yang lebih komprehensif, memungkinkan verifikasi kebenaran proposisi tertentu tanpa mengungkapkan data perantara apa pun. ZKP tidak memerlukan infrastruktur kunci publik yang kompleks, dan penerapan ulangnya juga tidak memberikan kesempatan bagi pengguna jahat untuk mendapatkan informasi berguna tambahan.

Fitur ZKP ini menjadikannya peran inti dalam transaksi blockchain dan aplikasi cryptocurrency, terutama dalam perlindungan privasi dan skalabilitas jaringan. ZKP tidak hanya menjadi fokus penelitian akademis, tetapi juga jalur utama untuk aplikasi industri dan investasi risiko. Banyak proyek jaringan berbasis ZKP muncul, seperti ZkSync, StarkNet, Mina, Filecoin, dan Aleo. Seiring dengan perkembangan proyek-proyek ini, inovasi algoritma terkait ZKP muncul satu demi satu. Selain itu, pengembangan perangkat keras terkait teknologi ZKP juga berkembang pesat, termasuk chip yang dioptimalkan khusus untuk ZKP.

Artikel ini bertujuan untuk mengatur pengetahuan terkait ZKP secara sistematis, untuk memberikan referensi bagi keputusan investasi di masa depan. Kami telah melakukan tinjauan menyeluruh terhadap makalah akademis inti yang terkait dengan ZKP, serta menganalisis secara rinci informasi dan buku putih dari proyek-proyek terkemuka di bidang ini. Pengumpulan dan analisis informasi yang komprehensif ini memberikan dasar yang kokoh untuk penulisan artikel ini.

2. Pengetahuan Dasar zk-SNARKs

2.1 Ringkasan

Konsep zk-SNARKs ( ZKP ) pertama kali diusulkan oleh Goldwasser, Micali, dan Rackoff pada tahun 1985. Mereka mendefinisikan konsep pengetahuan sebagai "output dari perhitungan yang tidak dapat dilakukan", yaitu pengetahuan harus merupakan output dari fungsi kompleks. Mereka juga memperkenalkan konsep "kompleksitas pengetahuan" untuk mengukur jumlah pengetahuan yang bocor dari pembuktian kepada verifier.

Tiga karakteristik dasar dari ZKP meliputi:

1. Keterpaduan: Jika argumen itu benar, maka pembuktian yang jujur dapat meyakinkan verifier yang jujur tentang fakta ini.
2. Keandalan: Jika pembuktian tidak mengetahui isi pernyataan, dia hanya dapat menipu verifier dengan probabilitas yang sangat kecil.
3. Sifat nol pengetahuan: Setelah proses pembuktian selesai, verifier hanya mendapatkan informasi "pembukti memiliki pengetahuan ini", tanpa bisa mendapatkan konten tambahan lainnya.

2.2 Contoh zk-SNARKs

Untuk memahami ZKP dan atributnya dengan lebih baik, berikut adalah contoh untuk memverifikasi apakah penyedia bukti memiliki informasi pribadi tertentu. Contoh ini dibagi menjadi tiga tahap: pengaturan, tantangan, dan respons.

Langkah pertama: atur

• Penjamin memilih dua bilangan prima besar p dan q, menghitung n = p * q
• Hitung v = s^2 mod n, s adalah angka rahasia
• Pilih r secara acak, hitung x = r^2 mod n dan kirimkan kepada verifier

Langkah kedua: Tantangan Validator secara acak memilih a(0 atau 1) dan mengirimkannya ke prover

Langkah tiga: respons

• Jika a = 0, pengirim mengirim r
• Jika a = 1, penjamin menghitung y = r * s mod n dan mengirimkan

Validator memverifikasi apakah persamaan tersebut benar berdasarkan nilai yang diterima. Mengulangi proses ini beberapa kali dapat mengurangi kemungkinan penipuan.

3. zk-SNARKs Non-Interaktif

3.1 Latar Belakang

ZKP tradisional biasanya memerlukan beberapa interaksi untuk menyelesaikan otentikasi. Namun, dalam beberapa skenario, seperti transaksi instan atau pemungutan suara, sering kali tidak ada kesempatan untuk melakukan beberapa interaksi. Oleh karena itu, konsep bukti nol pengetahuan non-interaktif (NIZK) muncul.

3.2 Usulan NIZK

Pada tahun 1988, Blum, Feldman, dan Micali pertama kali mengajukan konsep NIZK. NIZK dapat dibagi menjadi tiga tahap: penyiapan, perhitungan, dan verifikasi. Mereka mengusulkan model string referensi publik (CRS), yaitu berdasarkan semua peserta yang berbagi satu string untuk mewujudkan bukti NIZK untuk masalah NP.

3.3 Fiat-Shamir transform

Transformasi Fiat-Shamir adalah metode untuk mengubah ZKP interaktif menjadi non-interaktif. Metode ini mengurangi jumlah interaksi dengan memperkenalkan fungsi hash, dan bergantung pada asumsi keamanan untuk memastikan keaslian bukti dan karakteristiknya yang sulit dipalsukan.

3.4 Jens Groth dan penelitiannya

Penelitian Jens Groth sangat mendorong penerapan ZKP dalam kriptografi dan teknologi Blockchain. Ia mengusulkan berbagai skema NIZK yang ditingkatkan, seperti sistem NIZK efisien berbasis grup bilinear.

3.5 Penelitian Lain

Penelitian NIZK penting lainnya mencakup skema enkripsi kunci publik Cramer dan Shoup, metode transformasi Fiat-Shamir yang ditingkatkan oleh Damgård dan lainnya, konsep "reliabilitas yang dapat dipertanggungjawabkan lemah" yang diajukan oleh Ventre dan Visconti, serta transformasi Unruh.

4. Pembuktian nol-pengetahuan berbasis sirkuit

4.1 Latar Belakang

Di bidang kriptografi, terutama dalam menangani tugas komputasi yang memerlukan paralelisasi tinggi dan jenis tertentu, model sirkuit menunjukkan keunggulan unik dibandingkan model mesin Turing tradisional.

4.2 Konsep dan Karakteristik Dasar Model Sirkuit

Model sirkuit terutama dibagi menjadi dua kategori besar:

• Sirkuit aritmatika: terdiri dari gerbang penjumlahan dan perkalian, digunakan untuk memproses elemen di atas bidang terbatas.
• Rangkaian logika: terdiri dari gerbang logika dasar seperti gerbang AND, gerbang OR, dan gerbang NOT, digunakan untuk memproses operasi Boolean.

4.3 Desain dan Aplikasi Sirkuit dalam zk-SNARKs

Dalam sistem ZKP, proses desain sirkuit melibatkan mengekspresikan masalah yang akan dibuktikan sebagai sebuah sirkuit. Proses ini biasanya mencakup representasi masalah, optimasi sirkuit, konversi ke representasi polinomial, menghasilkan string referensi publik (CRS), serta langkah-langkah generasi dan verifikasi bukti.

4.4 Potensi Kekurangan dan Tantangan

Tantangan utama yang dihadapi ZKP berbasis sirkuit meliputi:

• Kompleksitas dan skala sirkuit
• Optimasi kesulitan
• Adaptasi tugas komputasi tertentu
• Tingkat kesulitan implementasi algoritma kripto
• Konsumsi sumber daya

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti telah mengusulkan teknologi kompresi sirkuit, desain modular, dan akselerasi perangkat keras sebagai solusi perbaikan.

5. Model zk-SNARKs

5.1 Latar Belakang

Generalisasi ZKP berbasis sirkuit kurang baik, perlu mengembangkan model dan algoritma baru untuk masalah tertentu. Bagian ini akan memperkenalkan beberapa model ZKP utama.

5.2 Model Algoritma Umum

1. Model zkSNARK: Diajukan oleh Bitansky dkk pada tahun 2011, merupakan mekanisme ZKP yang ditingkatkan.
2. Model Ben-Sasson: Fokus pada model ZKP untuk memverifikasi eksekusi program arsitektur RISC von Neumann.
3. Model Pinocchio: paket lengkap untuk menghasilkan ZKP non-interaktif, termasuk compiler tingkat lanjut.
4. Model Bulletproofs: tidak memerlukan pengaturan yang dapat dipercaya, ukuran bukti tumbuh secara logaritmik seiring dengan ukuran nilai saksi.
5. Model Ligero: sebuah model ZKP yang ringan, kompleksitas komunikasi sebanding dengan akar kuadrat ukuran sirkuit verifikasi.

5.3 Skema berbasis PCP linier dan masalah logaritma diskrit

Rencana jenis ini termasuk model Groth16, model Sonic, model PLONK, model Marlin, dan lainnya. Model-model ini memiliki keunggulan masing-masing dalam hal efisiensi dan fungsionalitas.

5.4 Rencana berbasis bukti orang biasa

"Bukti untuk Orang Biasa" adalah metode ZKP baru yang diusulkan oleh Goldwasser, Kalai, dan Rothblum. Model yang didasarkan pada konsep ini termasuk model Hyrax, model Libra, dan model Spartan.

5.5 Berdasarkan probabilitas pembuktian yang dapat diverifikasi ( PCP ) zk-SNARKs

Jenis solusi ini termasuk model STARK, model Aurora, model Succinct Aurora, dan model Fractal. Model-model ini biasanya memiliki skalabilitas dan transparansi yang lebih baik.

5.6 Klasifikasi tahap pengaturan konstruksi bukti umum CPC(

Model ZKP dapat dibagi menjadi tiga generasi berdasarkan karakteristik fase pengaturan:

• Generasi pertama )G1(: Setiap sirkuit memerlukan pengaturan tepercaya yang terpisah.
• Generasi kedua )G2(: Setel sekali untuk semua sirkuit.
• Generasi ketiga )G3(: sistem bukti yang tidak memerlukan pengaturan yang tepercaya.

6. Ringkasan dan Perkembangan zk-SNARKs Virtual Machine

) 6.1 Latar Belakang

zk-SNARKs Virtual Machine ### ZKVM ( adalah mesin virtual yang fokus pada ZKP, yang memperluas fungsi VM tradisional dan dapat secara umum menurunkan ambang pengembangan sirkuit zero-knowledge.

) 6.2 Klasifikasi ZKVM yang ada

Sesuai dengan tujuan desain, terbagi menjadi tiga kategori:

1. Tipe ZKVM Utama: seperti RISCZero, PolygonMiden, zkWASM, dll.
2. ZKVM Tipe EVM Setara: dirancang khusus untuk kompatibel dengan Ethereum Virtual Machine ###EVM(.
3. zk-SNARKs yang dioptimalkan: seperti Cairo-VM, Valida, TinyRAM, dan lain-lain.

) 6.3 Paradigma Frontend dan Backend

Sistem ZKP umumnya dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu front-end dan back-end. Front-end terutama menggunakan bahasa tingkat rendah untuk mewakili bahasa tingkat tinggi, sedangkan back-end mengubah sirkuit yang dijelaskan dalam bahasa tingkat rendah yang dibangun oleh front-end menjadi pembuktian yang dihasilkan dan memverifikasi kebenarannya.

6.4 Kelebihan dan Kekurangan Paradigma ZKVM

Kelebihan termasuk penggunaan ISA yang ada, dukungan satu sirkuit untuk banyak program, sirkuit dengan struktur berulang, dan lain-lain. Kekurangan termasuk biaya yang dihasilkan dari universalitas, operasi biaya tinggi, dan biaya pembuktian yang tinggi.

7. Tinjauan dan Perkembangan zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine

7.1 Latar Belakang

zk-SNARKs Ethereum Virtual Machine ### ZKEVM ( dirancang khusus untuk Ethereum, terutama digunakan untuk memverifikasi kebenaran eksekusi smart contract, sekaligus melindungi privasi transaksi.

) 7.2 Cara kerja ZKEVM

Alur kerja ZKEVM mencakup:

1. Proses program node
2. Menghasilkan ZK buktinya
3. Bukti Agregasi
4. Mengirim ke kontrak L1

7.3 Proses implementasi ZKEVM

Proses implementasi ZKEVM mencakup langkah-langkah seperti pengambilan data, pemrosesan data, pembuatan bukti, bukti rekursif, dan pengiriman bukti.

7.4 Ciri-ciri ZKEVM

Fitur utama ZKEVM termasuk meningkatkan kemampuan pemrosesan transaksi, perlindungan privasi, dan verifikasi yang efisien.

8. Tinjauan dan Perkembangan Solusi Jaringan Layer Dua zk-SNARKs

8.1 Latar Belakang

zk-SNARKs Layer 2 jaringan solusi ###ZK Rollup( adalah solusi Layer 2 untuk skalabilitas Ethereum, yang mengatasi kekurangan waktu konfirmasi akhir transaksi Optimistic Rollups yang terlalu lama.

) 8.2 Mekanisme kerja ZK Rollup

ZK Rollup memungkinkan skalabilitas dalam satu transaksi, dengan mengurangi penggunaan sumber daya komputasi di Ethereum dengan menjalankan transaksi di luar rantai, dan mengembalikan transaksi yang sudah ditandatangani ke dalam rantai.

8.3 Kekurangan dan Optimasi ZK Rollup

Masalah utama dari ZK Rollup adalah biaya perhitungan yang sangat tinggi. Solusi optimasi termasuk:

1. Mengoptimalkan perhitungan algoritma kata sandi
2. Menggabungkan Optimistic dan ZK Rollup
3. Mengembangkan ZK EVM khusus
4. Optimasi Perangkat Keras

9. Arah Perkembangan Masa Depan zk-SNARKs

9.1 Percepatan pengembangan lingkungan komputasi

Arah perkembangan ZKP di masa depan mencakup ZK-ASIC### sirkuit terintegrasi khusus( dan ZKCoprocessor) coprocessor(, dll.

) 9.2 ZKML的