【区块链基础知识系列】第8课区块链之零知识证明

所谓零知识证明，指的是示证者在证明自己身份时不泄露任何信息，验证者得不到示证者的任何私有信息，但又能有效证明对方身份的一种方法。

从本质上讲，零知识证明是一种协议。所谓协议(Protocol)，就是两个或两个以上的参与者为完成某项特定的任务而采取的一系列步骤，包括以下三个特征：
　　
　　1. 协议自始至终是有序的过程，每一步骤必须依次执行，在前一步骤没有执行完之前，后面的步骤不可能执行。
　　2. 协议至少需要两个参与者，一个人可以通过执行一系列的步骤来完成某项任务，但它不构成协议。
　　3. 通过执行协议必须能够完成某项任务。
　　
　　基于数学的推理虽然非常复杂，但思路却很简单一些方案。
　　
　　举几个例子：
　　
　　1）A要向B证明自己拥有某个房间的钥匙，假设该房间只能用钥匙打开锁，而其他任何方法都打不开。这时有2个方法：
　　（一）A把钥匙出示给B，B用这把钥匙打开该房间的锁，从而证明A拥有该房间的正确的钥匙。
　　（二）B确定该房间内有某一物体，A用自己拥有的钥匙打开该房间的门，然后把物体拿出来出示给B，从而证明自己确实拥有该房间的钥匙
　　后面这个方法属于零知识证明。好处在于在整个证明的过程中，B始终不能看到钥匙的样子，从而避免了钥匙的泄露。
　　
　　　　2）A拥有B的公钥，A没有见过B，而B见过A的照片，偶然一天2人见面了，B认出了A，但A不能确定面前的人是否是B，这时B要向A证明自己是B，也有2个方法。
　　
　　（一）B把自己的私钥给A，A用这个私钥对某个数据加密，然后用B的公钥解密，如果正确，则证明对方确实是B。
　　（二）A给出一个随机值，B用自己的私钥对其加密，然后把加密后的数据交给A，A用B的公钥解密，如果能够得到原来的随机值，则证明对方是B。
　　后面的方法属于零知识证明。
　　
　　　　3）有一个缺口环形的长廊，出口和入口距离非常近（在目距之内），但走廊中间某处有一道只能用钥匙打开的门，A要向B证明自己拥有该门的钥匙。采用零知识证明，则B看着A从入口进入走廊，然后又从出口走出走廊，这时B没有得到任何关于这个钥匙的信息，但是完全可以证明A拥有钥匙。
　　　　
说了不少那么零知识证明的优点：
1.在使用零知识证明的时候，不降低安全性。
2.零知识证明工作高效，计算过程量小，双方交换信息少。
简单归纳，既安全、又有良好的隐私、又减少计算量。

那么区块链中，ZCASH数字货币就是使用零知识证明，在整个交易过程中，完全匿名。他不同于比特币的交易，他同样也有UTXO，但是这个是完全封闭，在ZCASH交易过程中，不同比特币，在A转账给B的时候，他会当B的面UTXO会作废，但是ZCASH中，A转账给B，新建一个UTXO，原先的会发送到一个作废列表，但是这个列表记录的是之前的序号或者代号，证明之前的UTXO失效。在这个过程中B是看不到A之前的信息，但是确实交易还是发生了，同样道理，矿工也看不到之前的A的交易信息，只是能确定之前的交易序号或者代号存在于作废列表了。

一、从比特币说起

　　直接讲解ZCash的交易过程可能会比较抽象。为了有助于理解，我们不妨先分析比特币，作为铺垫。

　　我们先来打个比方说明比特币的转账原理。

　　演示场景：Alice转1个比特币给Bob。

　　转账前，Alice要事先准备1个比特币。为了方便理解，我们把Alice准备转出的这1个比特币看成一张面额为1个比特币的“支票”，如图1。

　　图1

　　从这张“支票”中我们可以获取到如下信息：

　　1. Alice确实拥有1个BTC。

　　2. Alice使用私钥对这张支票签名，证明Alice拥有对这笔资产转账的权力。

　　支票的面额和转账权都已经明确，Alice就可以给Bob转账了。转账的原理很简单，就是给Bob新建一张一样的“支票”，证明Bob拥有了1个比特币。同时撕掉Alice手中的“支票”，通过这“破旧”并“立新”的方式，实现资产所有权的转移。如图2。

　　图2

　　以上逻辑其实不难理解，因为这和日常生活中的银行转账是一个道理。通过银行转账，我们在交易时不必对实物货币进行转移，而是以银行记账的方式，实现“资产所有权”的转移。比特币交易的过程实质上就是一个“资产所有权”的转移过程，转入比特币的那一方“新建”一份资产所有权，而转出方需要“销毁”原先的资产所有权，被销毁的那张“支票”永远不会再出现。

　　二、ZCash的转账原理

　　与比特币一样，ZCash的交易过程也是 “资产所有权”的转移。继续沿用前文“支票”的比方。

　　演示场景：Alice转1个ZEC给Bob。

　　转账前，Alice创建一张面额为1个ZEC的“支票”，如图3。

　　图3

　　能从该凭证中获取的信息：

　　1. Alice确实拥有1个ZEC。

　　2. Alice使用私钥对这张支票签名，证明Alice拥有对这笔资产转账的权力。

　　3. 这张“凭证”上多了一串随机数，用符号 r 表示。这串随机数的作用好比“支票代号”，用来唯一识别该支票。Alice的“支票代号”为r1。

　　明确以上信息，Alice就可以进行ZEC转账了。

　　第一步:比特币一样，要先为Bob新建一张“支票”。Bob的支票代号(r2)与Alice的支

　　票代号(r1)不相同，如图4。

　　图4

　　第二步：新的“资产所有权”生成的同时，必须要想办法销毁原来的“资产所有权”。即必须想办法让Alice手中的“支票”失效。与比特币简单粗暴的“直接撕毁”不同，ZCash采用“备注作废”的手段，达到同样的效果。怎么理解呢?就是在不对原先“支票”作任何处理的前提下，新建一个作废文件列表，录入需要作废的“发票代号”。如图5，

　　图5

　　从上图可以看出，原先的Alice持有的支票仍旧存在，并没有消失，只是这张支票已经被记入“作废列表”。在确定资产所有权时要同时读取两个列表的信息，能确定Bob拥有资产所有权的判断方法是：作废列表中不存在Bob所持“支票”的代号。

　　可是为什么要这样设计呢?其实这样设计的目的是为了在交易过程中运用 “零知识证明”。

　　三、零知识证明

　　什么是零知识证明？

　　零知识证明 (被称为“zk-SNARK”)是实现Zcash的匿名特性的核心技术。“零知识证明”的定义是：证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。举个简单的例子：

　　A要向B证明自己拥有某个房间的钥匙，假设该房间只能用钥匙打开锁，而其他任何方法都打不开。这时有2个方法：

　　(一)A把钥匙出示给B，B用这把钥匙打开该房间的锁，从而证明A拥有该房间的正确的钥匙。

　　(二)B确定该房间内有某一物体，A用自己拥有的钥匙打开该房间的门，然后把物体拿出来出示给B，从而证明自己确实拥有该房间的钥匙。

　　后面这个方法属于零知识证明。好处在于在整个证明的过程中，B始终不能看到钥匙的样子，从而避免了钥匙的泄露。

　　那么零知识证明怎么运用到ZCash交易过程中呢？

　　我们再回顾比特币和ZCash的例子。

　　Alice要向Bob转一个单位的数字货币(BTC/ZEC)，即Alice要向Bob转移一个单位的资产所有权。这时有以下两个方法：

　　(一)比特币中的做法：Alice拥有一张1BTC的支票，要转账给Bob时，先给Bob新建一张1BTC的支票，同时当着Bob的面将自己原先的支票撕毁。

　　(二)ZCash中的做法：Alice拥有一张1ZEC的支票，要转账给Bob时，先给Bob新建一张1ZEC的支票，然后在一张约定有效的作废列表中，记录下Alice的发票的代号，证明Alice的支票已经失效。

　　ZCash的方法属于零知识证明。整个交易过程中，Bob并没有见过Alice的支票，但是还是实现了资产所有权的转移。在ZCash的整个交易系统中，Alice和Bob的交易还有其他见证者，即负责记录交易信息的矿工。同样道理，矿工也不必看到Alice的支票，只要能确定代号为r1的支票已经作废了就行。

　　四、ZCash完整的匿名交易系统

　　有了上述铺垫，就可以进一步解释ZCash的匿名交易过程了。

　　还是那个例子：Alice转1 个ZEC给Bob。这个例子中有涉及到的角色有转账双方Alice和Bob，以及记账者(矿工)。

　　首先是Alice和Bob都有了一张支票，如图6。

　　图6

　　这两张“支票”都是有效的。Alice的支票开始就存在于整个ZCash网络，Bob的支票在生成后也会被广播到全网。

　　为了隐藏交易者信息，要对两张支票进行加密处理。在全网中存在的“支票”其实是这样子的，如图7。

　　信息都是被加密的，可以通过拥有者的私钥解密
　　

　　图7

　　同时，因为资产只能有一份，所有矿工手里还有一个作废列表。Alice要同时广播自己的“发票代号”，录入作废列表中。发票代号也是加密的。所以矿工们能看到的信息其实是这样的。其中Alice的支票是原先存在的，Alice的支票代号r1和Bob的支票是在交易过程中被Alice广播的。如图8。

　　图8

　　矿工们能获取的信息相当有限，但是这并不影响对矿工对交易有效性的判断。

　　判断的逻辑相当简单：矿工拿到Alice给的支票代号r1，去作废列表中检索，假如作废列表中已经存在r1，则证明r1所对应的的支票早已失效;若作废列表中并不存在r1，则证明r1对应的支票仍旧有效，此时矿工把r1录入作废列表中，把新生成的支票录入支票列表中。所以记账的过程就是对原有支票登记失效，并存入现有支票的过程。

　　在这个过程中，我们不难发现，每笔交易矿工能接收到的东西只有一个发票代号，和一张新的发票，而且这两样东西都是被加密的。所以矿工并不知道转账双方是谁，也不知道转账金额是多少。
　　

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