浅谈零知识证明
概述
零知识证明(zero knowledge)，顾名思义其实就是在充分证明自己是某种权益的合法拥有者的同时，又不能把有关的信息泄露出去，即提供给外界的有用信息为"零"。
零知识起源
"零知识"的概念最早在20世纪80年代初，由麻省理工学院的研究人员Shafi Goldwasser, Silvio Micali和Charles Rackoff所提出，当时这些人正在研究与交互证明系统相关的问题，即一种理论系统，使得甲方(证明者)可以和乙方(验证者)交换信息，并借此说服乙方接受(通过验证)某个数学论述为真。
这个问题并不是单纯的理论思考，而是在真实，具体的应用中会面临到的问题。
我们举个例子，假设你想要使用密码登录网站，标准化的协议流程是这样的:客户端(你)输入密码并发送给服务器，服务器将你的密码进行哈希计算，然后对比存储在服务器端的密码哈希值，如果两者相同，你便能够登录系统。在上述过程中，服务器需要拥有你的密码明文，所以你的隐私能够被保障全看服务器端的脸色，如果服务器受到攻击，甚至被入侵，那么你的密码就会暴露给恶意攻击者，导致严重的后果。
Goldwasser,Micali和Rackoff等人提出的这种全新的方法，如果证明真的可行，那么它将允许我们在证明某些数学陈述为真的同时，保证不会有任何不相关的信息被泄露出去。
零知识证明的特性
零知识证明需要满足以下特性：
- 完整性（Completeness）：如果论述(注: 这里的”论文“即”零知识证明“中的”知识“)为真，那么诚实的证明者一定能够说服诚实的验证者
- 可靠性（Soundness）：如果证明者不诚实，那么他们无法通过造假来说服验证者接受某论述。
- 零知识性（Zero-Knowledge）：如果论述为真，验证者无法得知论述实际内容是什么。
下面我们举个数独的例子来说明零知识证明的特性。首先玩家会得到一个如下的 9✖️9的表格:
这个游戏的规则是使用1 ~ 9 的数字填满每一行，每一列，及 3 ✖️ 3 的区块，其中数字1 ~ 9 在每一行、每一列、每个3✖️ 3的小区块中都不能重复，前面数独的谜题的解法如下图所示:
如你所见，每一行、每一列、及每个3✖️3的区块里的数字都是唯一的，没有数字重复。假设现在的Alice已经找到了数独的解，但多疑的Bob不信，他希望Alice能够证明自己的确知道数独的解。Alice要证明自己真的知道，但与之同时，她不希望Bob得到这个数独的解。她该怎么做呢？Alice将使用零知识证明来佐证她的说辞。
首先，Bob要使用已经被验证过的一个诚实的计算机运行该数独谜题，这个程序会随机选择每个数字的替代码，比如对于这个特定的数独谜题，程序选择了如下的替代码：
程序选中的替代码使得每个数字都有同样的机会被转换为其他数字。基本上，数字1和数字3倍替换可能性是一样的，数字5和数字7也是如此。因此，根据上面的替代码，我们替换一下上述谜题的解:
现在Alice拿着这份密码替换表。请注意，此时Bob并不知道初始数独谜题的解是什么，也不知道数字替换表的内容。接着，Alice利用”锁箱机制（lockbox nechanism）“隐藏谜题中所有的数字，因此Bob只能看到一个空白的9✖️9的表格。
现在Bob有28种选择:
- 显示任一行（9行）
- 显示任一列（9列）
- 显示任一 3✖️3的区块（9块）
- 显示初始谜题的替换后版本
假设Bob选择显示第三列，如下图所示：
Bob将会看到这样的画面：每个数字都在该列中唯一出现，又因为初始谜题中每个数字被替换的概率相同，因此Bob无法推出初始谜题的解释什么。
现在假设，Bob决定选择最后一项，即想看看替换后版本的模样，他会看到如下图所示:
同样的，因为替代码是随机选择的，每个数字都有相同的替换概率，Bob将无法得知初始谜题的解。Bob每回都可以从这28种选择中得以进行验证，最终他会相信Alice的论述，即Alice是知道数独的谜题解。
为什么呢？因为如果Alice作弊（她不知道初始谜题的解），她就无法找到完整的替换码，得到Bob的28种选择都有唯一的解，假设Bob只验证了一次，比如他就看了一行，那么Alice作弊的概率高达27/28。但如果Bob进行了多达200次的验证，那么Alice作弊成功的概率就会降到（27/28）^ 200，作弊成功率连0.05%都不到。
接着让我们检查一下，零知识证明特性在这个案例中是否满足：
- 完整性（Completeness）：密码程序经过验证所以可信，而且Alice和Bob都接受这个协议。
- 可靠性（Soundness）：如果做了200次随机测试，那么Alice作弊成功率小于0.05%。
- 零知识性（Zero-Knowledge）：Alice从头到尾都不必向Bob透露初始谜题的解。
零知识证明在区块链中的应用
零知识协议支持在分布式区块链网络上转移资产，并具有完全的隐私性。常规的区块链交易，当资产从一方发送到另一方的时候，该交易的详细信息对网络中每一方都可见。相反，零知识证明交易中，其他人只知道发生了有效的交易，但并不知道发送方、接收方、资产类别和交易数量等具体的信息。
最突出使用零知识证明的要数ZCash了，它也是第一个实现zk-Snarks的加密货币。此后，其他区块链系统也加入了零知识证明的行列中，以便在交易进行的过程中，保护用户隐私。其中以以太坊的最为突出，在拜占庭升级的版本中，zk-Snarks作为升级的一部分，正式加入到以太坊未来的开发计划中。
本文小结
零知识证明是构建信任的重要技术，也是区块链这个有机体中不可缺少的一环。通过零知识证明，相当于在无形中建立了一个区中心化的第三方机构，避免了可能存在作弊的风险。互联网实现了信息的传递，而集成了零知识证明的区块链，将在信息传递的过程中，保护了每个人的隐私。进一步完善了整个互联网体系，这将在人类走上更高文明的历程中刻下浓墨的一笔。
