Cointime

扫码下载App
iOS & Android

如何将交互式的零知识证明协议改造为非交互式?

撰文:康水跃,Fox Tech CEO;孟铉济,Fox Tech 首席科学家

前言

密码学当中的零知识证明技术在web3世界有着广泛的应用,包括进行隐私计算、zkRollup等等。其中Layer2项目FOX所使用的FOAKS就是一个零知识证明算法。在上述的一系列应用当中,对于零知识证明算法而言,有两方面属性极为重要,那就是算法的效率以及交互性。

算法效率的重要性不言而喻,高效的算法可以明显的降低系统运行时间,从而降低客户端延迟,显著的提高用户体验和效率,这也是FOAKS致力于实现线性证明时间的一个重要原因。

另一方面,从密码学的角度来讲,零知识证明系统的设计往往依赖证明者和验证者的多轮交互。例如在许多介绍零知识证明的科普文章当中都会使用的“零知识洞穴”的故事当中,证明的实现就依赖于阿里巴巴(证明者)和记者(验证者)多轮的信息传递交互才能实现。但是事实上,在许多应用场景当中,依赖交互会使得系统不再可用,或者极高的增加延迟。就像在zkRollup系统当中,我们期望证明者(也就是FOX当中的folder)能够在本地,不依赖于和验证者交互的情况下就计算出正确的证明值。

从这个角度说,如何将交互式的零知识证明协议改造为非交互式,就是一个很有意义的问题。在这篇文章当中,我们将介绍FOX使用经典的Fiat-Shamir启发式(heuristic)来生成Brakedown中的挑战从而实现非交互式协议的过程。

零知识证明中的Challenge

零知识证明算法随着应用的铺开而变得异常火爆,近些年也诞生了包括FOAKS、Orion、zk-stark等在内的各种算法。这些算法,以及密码学界早期的sigma协议等的核心证明逻辑都是证明者(Prover)先将某个值发送给验证者(Verifier),验证者通过本地随机数产生一个挑战(Challenge),将这个随机产生的挑战值发给证明者,证明者需要真的有知识才能以大概率做出通过验证者的响应。例如在零知识洞穴当中,记者抛一个硬币,告诉阿里巴巴从左侧出来还是从右侧出来,这里的“左和右”就是对阿里巴巴的挑战,他如果真的知道咒语,就一定可以从要求的方向走出来,否则就有一半的概率失败。

这里我们注意到,Challenge的生成是一个很关键的步骤,它有两个要求,随机和不可被证明者预测。第一点,随机性保证了它的概率属性。第二点,如果证明者可以预测挑战值那就意味着协议的安全性被破坏了,证明者没有知识也可以通过验证,可以继续类比,阿里巴巴如果能预测记者要求他从哪边出来,他即使没有咒语也可以提前进入那一边,结果表现出来一样可以通过协议。

所以我们需要一种办法,能够让证明者自己本地生成这样一个不可预测的随机数,同时还能够被验证者验证,这样就可以实现非交互式的协议。

哈希函数(Hash Function)

哈希函数的名字对我们来说或许并不陌生,无论是在比特币的共识协议POW当中担任挖矿的数学难题,还是压缩数据量,构造消息验证码等等,都有哈希函数的身影。而在上述不同的协议当中,其实是运用了哈希函数的各种不同性质。

具体来讲,安全的哈希函数的性质包括以下几点:

  1. 压缩性:确定的哈希函数可以将任意长度的消息压缩成为固定长度。
  1. 有效性:给定输入x,计算输出h(x)是容易的。
  1. 抗碰撞性:给定一个输入x1,希望找到另一个输入x2,x1x2,h(x1)= h(x2),是困难的。

注意,如果哈希函数满足抗碰撞性,那么必然满足单向性,也就是说给定一个输出y,要找出x满足h(x)= y是困难的。在密码学当中,还不能构造出理论上绝对满足单向性的函数,但是哈希函数在实际应用当中可以基本视作单向函数。

这样一来,可以发现上述的几种应用分别对应于哈希函数的几点不同的性质,同时我们说,哈希函数还有一个很重要的作用是提供随机性,虽然密码学理论当中要求的完美的随机数生成器目前也无法构造,但是哈希函数在实际当中同样可以充当这个角色,这就为我们后文介绍的Fiat-Shamir 启发式(Heuristic)的技巧提供了基础。

Fiat-Shamir启发式(Heuristic)

事实上,Fiat-Shamir 启发式(Heuristic)就是利用哈希函数来对前面生成的脚本进行哈希运算,从而得到一个值,用这个值来充当挑战值。

因为将哈希函数H视作一个随机函数,挑战是均匀随机的被选择,独立于证明者的公开信息和承诺的。安全分析认为Alice不能预测H的输出,只能将其当作一个oracle。在这种情况下,Alice在不遵循协议的情况下做出正确响应的概率(特别是当她不知道必要的秘密时)与H的值域的大小成反比。

图1: 利用Fiat-Shamir Heuristic实现非交互式证明

非交互式FOAKS

在本节,我们具体展示Fiat-Shamir启发式在FOAKS协议当中的应用,主要是用来产生Brakedown部分的挑战,从而实现非交互式的FOAKS。

首先我们看到,在Brakedown生成证明的步骤当中,需要挑战的步骤是“近似性检验”以及Merkle Tree的证明部分(读者可以参考之前的文章《一文了解FOAKS当中的多项式承诺协议Brakedown》)。对于第一点原本的过程是证明者在这里需要验证者产生的一个随机向量,计算过程如下图所示:

图2: 非交互证明FOAKS中的Brakedown Checks

现在我们使用哈希函数,让证明者自己产生这个随机向量。

令0=H(C1,R, r0,r1),对应的,在验证者的验证计算当中,也需要增加这个计算出0的步骤。根据这样的构造,可以发现,在生成承诺之前,证明者并不能提前预测挑战值,于是不能提前根据挑战值来对应的“作弊”,也就是对应的生成假的承诺值,同时,根据哈希函数输出的随机性,这个挑战值也满足随机性。

对于第二点,令I=H(C1,R, r0,r1,c1,y1,c0,y0)。

我们使用伪代码给出改造后非交互式的Brakedown多项式承诺当中的证明和验证函数,这也是FOAKS系统当中使用的函数。

  1. function PC. Commit():
  2. Parse w as a kk matrix. The prover locally computes the tensor code encoding C1,C2 ,C1 is a kn matrix,C2 is a nn matrix.
  3. for i [n] do
  4. Compute the Merkle tree root Roott=Merkle.Commit(C2[:,i])
  5. Compute a Merkle tree root R=Merkle.Commit([Root0,......Rootn-1]),and output R as the commitment.
  6. function PC. Prover(, X, R)
  7. The prover generates a random vector 0Fk by computing: 0=H(C1,R, r0,r1)
  8. Proximity: c0=i=0k-10[i]C1[:,i],y0=i=0k-10[i]w[i]
  9. Consistency: c1=i=0k-1r0[i]C1[:,i],y1=i=0k-1r0[i]w[i]
  10. Prover sends c1,y1,c0,y0 to the verifier.
  11. Prover computes a vector I as challenge, in which I=H(C1,R, r0,r1,c1,y1,c0,y0)
  12. for idxI do
  13. Prover sends C1 [:,idx] and the Merkle tree proof of Rootidx for C2 [:,idx] under R to verifier
  14. function PC. VERIFY_EVAL(X,X,y=(X),R)
  15. Proximity: idxI,C0[idx]==<0,C1[:,idx]>and EC(y0)==C0
  16. Consistency: idxI,C1[idx]==<r0,C1[:,idx]>and EC(y1)==C1
  17. y==<r1, y1>
  18. idxI, EC(C1[:,idx]) is consistent with ROOTidx, and ROOTidx’s Merkle tree proof is valid.
  19. Output accept if all conditions above holds. Otherwise output reject.

结语

许多的零知识证明算法在设计之初都依赖证明者和验证者双方的交互,但是这种交互式证明协议不适合用在追求高效,网络通讯开销大的应用场景下,比如链上数据隐私保护和zkRollup等等。通过Fiat-Shamir启发式(Heuristic),可以在不破坏协议安全性的条件下让证明者本地生成随机数“挑战”,并且可以被证明者验证。根据这种方法,FOAKS同样实现了非交互式的证明,并应用在系统当中。

评论

所有评论

推荐阅读

  • Polymarket周一将发布重大公告

    3 月 21 日,Polymarket 团队成员 Mustafa 发文表示,将于周一公布一项「重大公告」,具体内容尚未披露。

  • Polymarket将于下周一公布重大消息,或为发币或融资相关消息

    Cointime 报道,3月21日消息,Polymarket 官方团队成员 Mustafa 于 X 平台发文表示,下周一即将公布重大消息。因推文内容包含硬币符号,社区猜测或为融资或代币发射相关重大消息。 此前消息,预测市场平台 Kalshi 与 Polymarket 据悉正与潜在投资者洽谈新一轮融资,目标估值均约为 200 亿美元。日前,Kalshi 已完成新一轮超 10 亿美元融资,估值达 220 亿美元,较去年 12 月上一轮融资时的 110 亿美元估值翻倍。知情人士透露,本轮融资由 Coatue Management 领投,Kalshi 目前的年化收入为 15 亿美元。

  • 美众议院金融服务委员会将于3月25日举行代币化听证会,聚焦资本市场未来

    3 月 21 日,美国众议院金融服务委员会将于美东时间 3 月 25 日 10:00 举行听证会,主题为「代币化与资本市场的未来」,预计将重点讨论区块链技术在金融体系中的应用与监管方向。

  • 黄金创43年来最大周跌幅:一周暴跌11%,避险属性遭质疑

    3 月 21 日,受中东局势升级及利率预期影响,黄金价格大幅下挫,创下自 1983 年以来最大单周跌幅。现货黄金周五跌至约 4488 美元/盎司,单周累计下跌约 11%,自 2 月底以来累计跌幅已超 15%。市场分析认为,美联储年内或维持利率不变、鲍威尔关于通胀上行的表态削弱了黄金吸引力。同时,在伊朗冲突背景下,比特币表现相对更强,期间反弹超 11%,对黄金形成对比。

  • 分析:加密市场山寨币交易量大幅下滑,市场兴趣持续降温

    3 月 21 日,Cryptoquant 分析师 Darkfost 发文称,加密市场山寨币交易量持续走低,投资者兴趣明显减弱。在熊市背景及地缘政治不确定性影响下,山寨币表现持续跑输比特币,风险偏好显著收缩。当前,Binance 山寨币日交易量约为 77 亿美元,其它主要交易所合计约 188 亿美元,远低于 2025 年 10 月与 2 月高峰期(Binance 曾达 400 亿至 500 亿美元,其它平台达 630 亿至 910 亿美元)。目前 Binance 占据约 40% 的市场份额。分析指出,历史上交易量高峰往往对应市场阶段性顶部与 FOMO 情绪释放,而当前低迷成交环境也意味着潜在机会通常出现在市场关注度最低阶段。

  • 消息人士:特朗普政府正制定方案以夺取伊朗核材料储备

    3 月 21 日,据美国哥伦比亚广播公司(CBS)报道,多位知情人士透露,特朗普政府一直在谋划获取或转移伊朗核材料的方法和选项。此时,由美国和以色列领导的针对伊朗的军事行动正进入一个更加不确定的阶段。关于特朗普是否会下令实施此类行动,目前时机尚不明确。一位消息人士表示,他尚未做出任何决定。但两位消息人士表示,相关规划的核心是可能部署来自联合特种作战司令部的部队,该部队是精英军事单位,常负责最敏感的防扩散任务。

  • 中东冲突与加息预期共振:全球资产大震荡,美股四连跌、债市「血洗」、黄金创43年最大周跌幅

    3 月 21 日,中东局势持续升级叠加 Federal Reserve 加息预期骤然升温,全球市场遭遇系统性冲击。美股连续第四周下跌创一年最长跌势,纳指单日跌超 2%,科技股全线承压;全球债市收益率大幅飙升,美债、英债、德债均创多年新高,资金大规模去杠杆。大宗商品剧烈分化,黄金跌破 4500 美元关口,单周暴跌超 10%,创 1983 年以来最大跌幅,避险属性遭质疑;原油则因中东供应风险暴涨,布油重返 110 美元上方,迪拜原油期货单日飙升超 16%。与此同时,比特币在 7 万美元附近获得支撑,连续三周跑赢黄金。市场分析认为,地缘冲突推升能源价格并加剧通胀预期,迫使货币政策路径重定价,全球金融条件快速收紧,风险资产仍处于下行与再定价过程中。

  • 美团开源560B参数定理证明模型:72次推理通过率97.1%,刷新开源模型SOTA

    据 1M AI News 监测,美团 LongCat 团队开源 LongCat-Flash-Prover,一个 5600 亿参数的 MoE 模型,专攻形式化定理证明语言 Lean4 的数学推理任务。模型权重以 MIT 协议发布,已上线 GitHub、Hugging Face 和 ModelScope。模型将形式化推理拆解为三项独立能力:自动形式化(将自然语言数学问题转化为 Lean4 形式语句)、草图生成(产出引理风格的证明框架)和完整证明生成。三项能力均通过 Agent 工具集成推理(TIR)与 Lean4 编译器实时交互验证。训练方面,团队提出 Hybrid-Experts Iteration Framework 生成冷启动数据,并在强化学习阶段引入 HisPO 算法稳定 MoE 模型的长程任务训练,同时加入定理一致性和合法性检测机制防止 reward hacking。基准测试显示,LongCat-Flash-Prover 在开源权重模型中刷新了自动形式化和定理证明两项 SOTA。MiniF2F-Test 上仅用 72 次推理即达 97.1% 通过率,ProverBench 和 PutnamBench 分别达到 70.8% 和 41.5%,每题推理次数不超过 220 次。

  • Erik Voorhees再次增持1.44万枚ETH,总持仓量突破11.7万枚

    3 月 21 日,据 AI 姨监测,ShapeShift 创始人、比特币早期支持者 Erik Voorhees 关联地址,过去 11 小时买入 14,424.53 ETH,总持仓突破 11.7 万枚,持仓均价 2,160.24 美元,当前浮亏 114.5 万美元。

  • 消息人士:特朗普政府正制定方案以夺取伊朗核材料储备

    Cointime 报道,3月21日消息,据美国哥伦比亚广播公司(CBS)报道,多位知情人士透露,特朗普政府一直在谋划获取或转移伊朗核材料的方法和选项。此时,由美国和以色列领导的针对伊朗的军事行动正进入一个更加不确定的阶段。 关于特朗普是否会下令实施此类行动,目前时机尚不明确。一位消息人士表示,他尚未做出任何决定。但两位消息人士表示,相关规划的核心是可能部署来自联合特种作战司令部的部队,该部队是精英军事单位,常负责最敏感的防扩散任务。(金十)