首頁

Partnered With:

深度剖析下個萬億賽道：零知識證明和分佈式計算結合

閱讀本文需 39 分鐘

零知識證明和去中心化計算的結合為Web3普及帶來了契機。

原文作者：謝錦斌（X Research DAO）

原文編輯：AndyHoo（X Research DAO）

1.分佈式計算發展歷史和市場前景

1.1 發展歷史

· 最開始的計算機每台只能執行一個計算任務，隨著多核心多線程的 CPU 出現，單個計算機可以執行多個計算任務。

· 隨著大型網站的業務增加，單服務器模式很難進行擴容，又增加硬件成本。面向服務的架構出現，由多台服務器組成。由服務註冊者、服務提供者和服務消費者，三者組成。

· 但是隨著業務增加和服務器增加，SOA 模式下，點對點服務可維護性和可拓展性難度增加。類似微機原理中，總線模式出現，來協調各個服務單元。服務總線通過類似集線器的架構將所有系統連接在一起。這個組件被稱為 ESB（企業服務總線）。作為一個中間角色，來翻譯協調各個不同格式或者標準的服務協議。

· 隨後基於應用程序編程接口（API）的 REST 模型通信，以其簡潔、可組合性更高的特性，脫穎而出。各個服務以 REST 形式對外輸出接口。當客戶端通過 RESTful API 提出請求時，它會將資源狀態表述傳遞給請求者或終端。該信息或表述通過 HTTP 以下列某種格式傳輸：JSON（Javascript 對象表示法）、HTML、XLT、Python、PHP 或純文本。 JSON 是最常用的編程語言，儘管它的名字英文原意為「JavaScript 對象表示法」，但它適用於各種語言，並且人和機器都能讀。

· 虛擬機、容器技術，以及谷歌的三篇論文：

2003 年，GFS: The Google File System

2004 年，MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters

2006 年，Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data

分別是分佈式文件系統、分佈式計算、分佈式數據庫，拉開了分佈式系統的帷幕。 Hadoop 對谷歌論文的複現，更快更容易上手的 Spark，滿足實時計算的 Flink。

· 但是以往都是分佈式系統，並不是完全意義上的 Peer to peer 系統。在 Web3 領域，完全顛覆以往的軟件架構。分佈式系統的一致性，防欺詐攻擊，防粉塵交易攻擊等等一系列問題，都給去中心化計算框架帶來挑戰。

· 將以太坊為代表的智能合約公鏈，可以抽象理解為去中心化的計算框架，只不過 EVM 是有限指令集的虛擬機，無法做 Web2 需要的通用計算。而且鏈上資源也是極其昂貴。儘管如此，以太坊也是突破了點對點計算框架的瓶頸，點對點通信、計算結果全網一致性和數據一致性等等問題。

1.2 市場前景

讀者在上面了解了分佈式計算的歷史，但還是會存在很多困惑，我來替讀者列出大家可能存在的潛在疑問，如下：

· 從業務需求出發，為什麼去中心化計算網絡很重要？

· 整體市場規模有多大？

· 現在處於什麼階段，未來還有多少空間？

· 哪些機會值得關注？怎麼去賺錢？

1.2.1 為什麼去中心化計算很重要？

在以太坊最初的願景中，是要成為世界的計算機。在 2017 年，ICO 大爆發之後，大家發現還是主要以資產發行為主。但是到了 2020 年，Defi summer 出現，大量 Dapp 開始湧現。鏈上數據爆炸，面對越來越多複雜的業務場景，EVM 越來越顯得無力。需要鏈下拓展的形式，來實現 EVM 無法實現的功能。諸如像預言機等等角色，都是某種程度上的去中心化計算。

我們再以拓展思路去思考，現在 Dapp 高速增長，數據量也在爆炸式增長，這些數據的價值都需要更加複雜的算法來去計算，挖掘其商業價值。數據的價值由計算來體現和產生。這些都是大部分智能合約平台無法去實現的。

現在 Dapp 開發已經過去當初只需要完成 0 到 1 的過程，現在需要更加強大的底層設施，來支撐它完成更加複雜的業務場景。整個 Web3 已經從開發玩具應用階段過去，未來需要面對更加複雜的邏輯和業務場景。

1.2.2 整體市場規模有多大？

如何估算市場規模呢？通過 Web2 領域的分佈式計算業務規模來估算？乘上 web3 市場的滲透率？把目前市面上相應融資項目的估值相加嗎？

我們不能將 Web2 的分佈式計算市場規模照搬到 Web3，理由是：

1.Web2 領域的分佈式計算滿足了大部分需求，Web3 領域的去中心化計算是差異化滿足市場需求。如果照搬，是有悖於市場客觀背景環境。

2.Web3 領域的去中心化計算，未來成長出的市場業務範圍是全球化的。所以我們需要更加嚴謹得去估算市場規模。

對於 Web3 領域潛在賽道整體規模預算通過以下幾點出發來進行計算：

1.對行業內，其他可被納入賽道範圍內的項目估值，做為基準市值。依據 coinmarketcap 網站上數據顯示，在市面上已經流通的分佈式計算板塊的項目市值在 67 億美元。

2.營收模型來自於，Token 經濟模型的設計，例如目前比較普遍流行的 Token 營收模型是，Token 作為交易時候支付手續費的手段。所以可以通過手續費收入，間接反映生態的繁榮程度，交易活躍程度。最終作為估值評斷的標準。當然，token 還有其他成熟的模型，例如用於抵押挖礦，或者交易的交易對，或者是算法 Stablecoin 的錨定資產。所以 Web3 項目的估值模型，區別於傳統股票市場，更像是國家貨幣。 Token 可以被採用的場景會有多樣性。所以對於具體項目具體分析。我們可以嘗試探索 Web3 去中心化計算場景中，Token 模型應該如何進行設計。首先我們假定自己去設計一個去中心化計算框架，我們會遇到什麼樣的挑戰？

a).因為完全去中心化的網絡，在這樣不可信的環境中完成計算任務的執行，需要激勵資源提供者保障在線率，還要保障服務質量。在博弈機制上，需要保證激勵機制合理，還要如何防止攻擊者發起欺詐攻擊、女巫攻擊等等攻擊手段。所以需要 Token 作為質押手段參與 POS 共識網絡，先保障所有節點的共識一致性。對於資源貢獻者，需要其貢獻的工作量來實施一定的激勵機制，Token 激勵對業務增加和網絡效率提升，必須要有正向循環增長的。

b).相較於其他 layer1，網絡本身也會產生大量交易，面對大量粉塵交易，每筆交易支付手續費，是經過市場驗證的 Token 模型。

c).如果 Token 只是實際用途化，市值是很難再進一步擴大。如果作為資產組合的錨定資產，進行幾層資產嵌套組合，極大擴張金融化的效果。

整體估值=質押率*Gas 消耗率*(流通量的倒數）*單個價格

1.2.3 現在處於什麼階段，未來還有多少空間？

2017 年到現在，很多團隊都在嘗試去中心化計算方向上發展，但是都嘗試失敗，後面會具體解釋失敗的原因。探索路徑由最初類似外星人探索計劃的項目，後來發展到模仿傳統雲計算的模式，再到 Web3 原生模式的探索。

當前整個賽道的現狀，處於在學術層面已經驗證 0 到 1 的突破，一些大型項目在工程實踐上，有了較大的進展。例如當前的 zkRollup 和 zkEVM 實現上，都是剛剛發布產品的階段。

未來還有很大空間，理由如下：

1.還需提升驗證計算的高效性。

2.還需要補充豐富更多指令集。

3.真正不同業務場景的優化。

4.以往用智能合約無法實現的業務場景，可以通過去中心化計算實現。

我們通過一個具體案例來解釋，完全去中心化的遊戲。目前大部分 Gamefi 需要一個中心化服務做為後端，其後端作用在於管理玩家的狀態數據和一些業務邏輯，其應用前端在於用戶交互邏輯和事件觸發後傳遞到後端。當前市面上還沒有完整的解決方案，可以支撐 Gamefi 的業務場景。但是可被驗證的去中心化計算協議出現，後端替換為 zkvm。可以真正實現去中心化的遊戲。前端將用戶事件邏輯，發送到 zkvm 執行相關業務邏輯，被驗證後，在去中心化數據庫記錄狀態。

當然這只是提出的一個應用場景，而 Web2 有很多業務場景需要計算的能力。

1.2.4 哪些機會值得關注？怎麼去賺錢？

2.去中心化的分佈式計算嘗試

2.1 雲服務模式

目前以太坊有如下問題 :

1.整體吞吐量低。消耗了大量的算力，但是吞吐量只相當於一台智能手機。

2.驗證積極性低。這個問題被稱為 Verifier's Dilemma。獲得打包權的節點得到獎勵，其他節點都需要驗證，但是得不到獎勵，驗證積極性低。久而久之，可能導致計算得不到驗證，給鏈上數據安全性帶來風險。

3.計算量受限 (gasLimit)，計算成本較高。

有團隊嘗試採用，被 Web2 廣泛採用的雲計算模式。用戶支付一定費用，按照計算資源使用時間來計算費用。採取這樣模式，其根本原因是因為其無法驗證計算任務是否被正確執行，只能通過可檢測的時間參數或者其他可控的參數。

最終這個模式沒有廣泛應用，沒有考慮人性的因素。大量資源被用於挖礦，以謀取最大利益。導致真正可被利用的資源較少。這是博弈系統內，各個角色謀求利益最大化的結果。

最終呈現的結果，和最開始的初衷完全背離。

2.2 挑戰者模式

而 TrueBit 則利用博弈體系，達到全局最優解，來保障下發的計算任務是被正確執行。

https://www.aicoin.com/article/256862.html

我們快速這種計算框架的核心要點：

1.角色：問題解決者、挑戰者和法官

2.問題解決者需要質押資金，才可以參與領取計算任務

3.挑戰者作為賞金獵人，需要重複驗證問題解決者的計算結果，和自己本地的是否一致

4.挑戰者會去抽取與兩者計算狀態一致的最近時間的計算任務，如果出現分歧點，提交分歧點的默克樹 hash 值

5.最後法官評判是否挑戰成功

但是這個模式存在以下幾點缺陷：

1.挑戰者可以晚時間提交，只需要完成提交任務就行。這樣導致結果是，缺少及時性。

2.3 利用零知識證明驗證計算

所以如何實現，既保證計算過程可被驗證，又能保障驗證的及時性。

例如 zkEVM 的實現，每個區塊時間，需要提交可被驗證的 zkProof。這個 zkProof 包含邏輯計算業務代碼生成的字節碼，再由字節碼執行生成電路代碼。這樣實現了計算業務邏輯是被正確執行，而且通過較短和固定時間來保障驗證的及時性。

雖然 zkEVM 只是針對智能合約執行的場景，本質還是在計算業務框架下面。如果我們將 EVM 邏輯順延到其他通用類型的虛擬機，例如 WASM 虛擬機，或者更加通用的 LLVM 高性能虛擬機。當然在具體落實到工程實踐上會有諸多挑戰，卻給我們更多的探索空間。

在假定條件下，有足夠高性能的零知識證明加速硬件和足夠被優化的零知識證明算法，通用計算場景可以得到充分發展。大量 Web2 場景下的計算業務，都可以被零知識證明通用虛擬機進行複現。就如前文所提到可賺錢的業務方向。

3.零知識證明和分佈式計算的結合

3.1 學術層面

我們回看一下零知識證明算法歷史發展演進的路線

· GMR85 是最早起源的算法，來源於 Goldwasser、Micali 和 Rackoff 合作發表的論文：The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems（即 GMR85），該論文提出於 1985 年，發表於 1989 年。這篇論文主要闡釋的是在一個交互系統中，經過 K 輪交互，需要多少知識被交換，從而證明一個證言（statement）是正確的。

· 姚氏混淆電路（Yao's Garbled Circuit，GC）[89]。一種著名的基於不經意傳輸的兩方安全計算協議，它能夠對任何函數進行求值。混淆電路的中心思想是將計算電路（我們能用與電路、或電路、非電路來執行任何算術操作）分解為產生階段和求值階段。每一方都負責一個階段，而在每一階段中電路都被加密處理，所以任何一方都不能從其他方獲取信息，但他們仍然可以根據電路獲取結果。混淆電路由一個不經意傳輸協議和一個分組密碼組成。電路的複雜度至少是隨著輸入內容的增大而線性增長的。在混淆電路發表後，Goldreich-Micali-Wigderson（GMW）[91] 將混淆電路擴展使用於多方，用以抵抗惡意的敵手。

· sigma 協議又稱為誠實驗證者的（特殊）零知識證明。即假設驗證者是誠實的。這個例子類似 Schnorr 身份認證協議，只是後者通常採用非交互的方式。

· 2013 年的 Pinocchio (PGHR13)：Pinocchio: Nearly Practical Verifiable Computation，將證明和驗證時間壓縮到適用範圍，也是 Zcash 使用的基礎協議。

· 2016 年的 Groth16：On the Size of Pairing-based Non-interactive Arguments，精簡了證明的大小，並提升了驗證效率，是目前應用最多的 ZK 基礎算法。

· 2017 年的 Bulletproofs (BBBPWM17) Bulletproofs: Short Proofs for Confidential Transactions and More，提出了 Bulletproof 算法，非常短的非交互式零知識證明，不需要可信的設置，6 個月以後應用於 Monero，是非常快的理論到應用的結合。

· 2018 年的 zk-STARKs (BBHR18) Scalable, transparent, and post-quantum secure computational integrity，提出了不需要可信設置的 ZK-STARK 算法協議，這也是目前 ZK 發展另一個讓人矚目的方向，也以此為基礎誕生了 StarkWare 這個最重量級的 ZK 項目。

Bulletproofs 的特點為：

1）無需 trusted setup 的 short NIZK

2）基於 Pedersen commitment 構建

3）支持 proof aggregation

4）Prover time 為：O ( N log ( N ) ) O(N\cdot \log(N))O(Nlog(N))，約 30 秒

5）Verifier time 為：O ( N ) O(N)O(N)，約 1 秒

6）proof size 為：O ( log ( N ) ) O(\log(N))O(log(N))，約 1.3KB

7）基於的安全假設為：discrete log

Bulletproofs 適用的場景為：

1）range proofs（僅需約 600 字節）

2）inner product proofs

3）MPC 協議中的 intermediary checks

4）aggregated and distributed (with many private inputs) proofs

Halo2 主要特點為：

1）無需 trusted setup，將 accumulation scheme 與 PLONKish arithmetization 高效結合。

2）基於 IPA commitment scheme。

3）繁榮的開發者生態。

4）Prover time 為：O ( N log N ) O(N*\log N)O(NlogN)。

5）Verifier time 為：O ( 1 ) > O(1)>O(1)>Groth16。

6）Proof size 為：O ( log N ) O(\log N)O(logN)。

7）基於的安全假設為：discrete log。

Halo2 適用的場景有：

1）任意可驗證計算

2）遞歸 proof composition

3）基於 lookup-based Sinsemilla function 的 circuit-optimized hashing

Halo2 不適於的場景為：

1）除非替換使用 KZG 版本的 Halo2，否則在以太坊上驗證開銷大。

Plonky2 主要特點為：

1）無需 trusted setup，將 FRI 與 PLONK 結合。

2）針對具有 SIMD 的處理器進行了優化，並採用了 64 byte Goldilocks fields。

3）Prover time 為：O ( log N ) O(\log N)O(logN)。

4）Verifier time 為：O ( log N ) O(\log N)O(logN)。

5）Proof size 為：O ( N log N ) O(N*\log N)O(NlogN)。

6）基於的安全假設為：collision-resistant hash function。

Plonky2 適於的場景有：

1）任意可驗證計算。

2）遞歸 proof composition。

3）使用自定義 gate 進行電路優化。

Plonky2 不適於的場景為：

1）受限於其 non-native arithmetic，不適於包含橢圓曲線運算的 statements。

目前 Halo2 成為 zkvm 採用的主流算法，支持遞歸證明，支持驗證任意類型的計算。為零知識證明類型虛擬機做通用計算場景，奠定了基礎。

3.2 工程實踐層面

既然零知識證明在學術層面突飛猛進，具體落地到實際開發時候，目前進展是怎樣的呢？

我們從多個層面去觀察：

· 編程語言：目前有專門的編程語言，幫助開發者不需要深入了解電路代碼如何設計，這樣就可以降低開發門檻。當然也有支持將 Solidity 轉譯成電路代碼。開發者友好程度越來越高。

· 虛擬機：目前有多種實現的 zkvm，第一種是自行設計的編程語言，通過自己的編譯器編譯成電路代碼，最後生成 zkproof。第二種是支持 solidity 編程語言，通過 LLVM 編譯成目標字節碼，最後轉譯成電路代碼和 zkproof。第三種是真正意義的 EVM 等效兼容，最終將字節碼的執行操作，轉譯成電路代碼和 zkproof。目前是 zkvm 的終局之戰嗎？並沒有，不管是拓展到智能合約編程之外的通用計算場景，還是不同方案的 zkvm 針對自身底層指令集的補齊和優化，都還是 1 到 N 的階段。任重而道遠，大量工程上的工作需要去優化和實現。各家在學術層到工程實現上實現了落地，誰能最終成為王者，殺出一條血路。不僅需要在性能提升有大幅進展，還要能吸引大量開發者進入生態。時間點是十分重要的前提要素，先行推向市場，吸引資金沉澱，生態內自發湧現的應用，都是成功的要素。

· 周邊配套工具設施：編輯器插件支持、單元測試插件、Debug 調試工具等等，幫助開發者更加高效的開發零知識證明應用。

· 零知識證明加速的基礎設施：因為整個零知識證明算法中，FFT 和 MSM 佔用了大量運算時間，可以 GPU/FPGA 等並行計算設備來並行執行，達到壓縮時間開銷的效果。

· 不同編程語言實現：例如採用更加高效或者性能表現更好的編程語言：Rust。

· 明星項目湧現：zkSync、Starkware 等等優質項目，相繼宣布其正式產品發布的時間。說明了，零知識證明和去中心化計算結合不再是停留在理論層面，在工程實踐上逐漸成熟。

4.遇到的瓶頸以及如何解決

4.1 zkProof 生成效率低

前面我們講到，關於這塊市場容量、目前行業發展情況、在技術上的實際進展，但是沒有存在一點挑戰嗎？

我們對整個 zkProof 生成的流程進行拆解：

在邏輯電路編譯數值化 r1cs 的階段，裡面 80% 的運算量在 NTT 和 MSM 等計算業務上。另外對邏輯電路不同層級進行 hash 算法，隨著層級越多，Hash 算法時間開銷線性增加。當然現在行業內提出時間開銷減少 200 倍的 GKR 算法。

但是 NTT 和 MSM 計算時間開銷，還是居高不下。如果希望給用戶減少等待時間，提升使用體驗效果，必須要在數學實現上、軟件架構優化、GPU/FPGA/ASIC 等等層面進行加速。

下圖為各個 zkSnark 家族算法的證明生成時間和驗證時間的測試：

既然我們可以看到缺陷和挑戰，同時也意味著其中深藏著機會：

1.設計針對特定 zkSnark 算法加速或者通用 zkSnark 算法加速的芯片。相比其他類型的加密算法，zkSnark 產生較多臨時文件，對於設備的內存和顯存存在要求。芯片創業項目，同時也面臨大量資金投入，還不一定能保障最後可以流片成功。但是一旦成功，其技術壁壘和 IP 保護都將是護城河。芯片項目創業，必須要足夠議價能力的渠道，拿到最低成本。以及在整體品控上做到保障。

2.顯卡加速的 Saas 服務，利用顯卡做加速，是支出代價小於 ASIC 設計，而且開發週期也較短。但是軟件創新上，在長周期上最終會被硬件加速所淘汰。

4.2 硬件資源佔用大

目前和一些 zkRollup 項目接觸，最終發現還是大內存和大顯存顯卡比較適合他們用於軟件加速。例如在 Filecoin 挖礦中，大量閒置的數據封裝機成為了現在熱門 zkRollup 項目的目標設備。在 Filecoin 挖礦中，在 C2 階段，需要將生成的電路代碼文件，生成並緩存在內存中。

如果業務代碼邏輯十分複雜，其對應生成的電路代碼規模也會非常大，最終呈現形式就是體積大的臨時文件，特別涉及對電路代碼進行 Hash 運算，需要 AMD CPU 指令來加速。因為直接 CPU 和內存之間高速交換，效率非常高。這裡面還需要涉及到 NVME 的固態硬盤，都會是對 zkSnark 運算起到加速作用。以上我們對可能存在加速實現的可能性進行探討，發現對資源要求還是非常高的。

在未來，如果想大規模普及 zkSnark 應用，通過不同層面優化，勢在必行。

4.3 Gas 消耗成本

我們觀察到所有 zkRollup Layer2 需要將 zkProof 傳遞到 layer1 進行驗證和存儲，因為 ETH 鏈上資源十分昂貴，如果大規模普及後，需要為 ETH 支付大量 Gas。最終由用戶承擔這個成本，和技術發展的初衷。

所以很多 zkp 項目提出，數據有效層、利用遞歸證明壓縮提交的 zkProof，這些都是為了降低 Gas cost。

4.4 虛擬機的指令缺失

當前大部分 zkvm 面向智能合約編程的平台，如果要更加通用的計算場景，對 zkvm 底層指令集有大量的補齊工作。例如 zkvm 虛擬機底層支持 libc 指令，支持矩陣運算的指令，等等其他更加複雜的計算指令。

5.結語

因為智能合約平台更多面向資產進行編程，如果我們希望更多真實業務場景可以接入到 Web3，零知識證明和去中心化計算的結合帶來了契機。我們相應零知識證明將會成為主流賽道，不再是細分領域的技術。

About Huobi Research Institute

Huobi Blockchain Application Research Institute (referred to as "Huobi Research Institute") was established in April 2016.Since March 2018, it has been committed to comprehensively expanding the research and exploration of various fields of blockchain.As the research object, the research goal is to accelerate the research and development of blockchain technology, promote the application of the blockchain industry, and promote the ecological optimization of the blockchain industry.The main research content includes industry trends, technology paths, application innovations in the blockchain field, Model exploration, etc.Based on the principles of public welfare, rigor and innovation, Huobi Research Institute will carry out extensive and in-depth cooperation with governments, enterprises, universities and other institutions through various forms to build a research platform covering the complete industrial chain of the blockchain.Industry professionals provide a solid theoretical basis and trend judgments to promote the healthy and sustainable development of the entire blockchain industry.

About X Research DAO

X Research DAO is a community-based research DAO backed by Huobi Research.It aims at being one of the most valuable decentralized blockchain-analysis insitituions in the world.X research DAO focuses on analysing web3 projects, early stage public-chains, gamefis and NFTs.

X Research DAO welcomes all web3 enthusiasts, let's build the best research DAO and learn together!

Disclaimer

1.The author of this report and his organization do not have any relationship that affects the objectivity, independence, and fairness of the report with other third parties involved in this report.

2.The information and data cited in this report are from compliance channels.The sources of the information and data are considered reliable by the author, and necessary verifications have been made for their authenticity, accuracy and completeness, but the author makes no guarantee for their authenticity, accuracy or completeness.

3.The content of the report is for reference only, and the facts and opinions in the report do not constitute business, investment and other related recommendations.The author does not assume any responsibility for the losses caused by the use of the contents of this report, unless clearly stipulated by laws and regulations.Readers should not only make business and investment decisions based on this report, nor should they lose their ability to make independent judgments based on this report.

4.The information, opinions and inferences contained in this report only reflect the judgments of the researchers on the date of finalizing this report.In the future, based on industry changes and data and information updates, there is the possibility of updates of opinions and judgments.

5.The copyright of this report is only owned by X Research DAO.If you need to quote the content of this report, please indicate the source.If you need a large amount of references, please inform in advance (see "About X Research DAO" for contact information) and use it within the allowed scope.Under no circumstances shall this report be quoted, deleted or modified contrary to the original intent.