zk-STARK

什麼是 zk-STARK？

zk-STARK 是一種零知識證明系統，可用於加密貨幣領域，在不要求每位網路參與者重複完整運算的情況下，證明某項運算已正確執行。

zk-STARK 的完整名稱為 Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge。

在區塊鏈系統中，zk-STARK 最常被用作擴容、安全性及可驗證運算的有效性證明。

zk-STARK 可讓一方（稱為證明者）向另一方（稱為驗證者）證明一批交易或複雜運算有效。

驗證者檢查證明的速度，遠快於從頭執行完整運算所需的時間。

這對加密貨幣相當實用，因為公鏈的區塊空間有限，且無法以低成本在基礎層處理無限量活動。

透過將運算移至鏈下，並以證明在鏈上驗證結果，zk-STARK 可協助區塊鏈網路支援更多使用者及更複雜的應用程式。

Ethereum 對零知識證明的官方說明指出，ZK-STARK 是可擴展且透明的證明系統，不依賴可信設定。

StarkWare 的STARK 技術概述也將 STARK 描述為一種旨在實現可擴展驗證、且僅採用最低限度及具後量子安全性的假設之證明系統。

對加密貨幣使用者而言，最簡單的理解方式是：zk-STARK 是證明區塊鏈相關運算正確的數學證據，無須迫使所有人手動檢查全部工作。

為何 zk-STARK 對加密貨幣很重要

zk-STARK 很重要，因為區塊鏈同時需要信任最小化與效率。

區塊鏈之所以有用，是因為使用者不必信任中央營運者，也能驗證規則。

然而，當網路處理大量交易、智能合約、代幣轉帳、遊戲、支付或去中心化金融操作時，完整驗證的成本可能很高。

zk-STARK 可透過較小的驗證流程證明大型運算，從而減輕這項負擔。

這可讓區塊鏈在保留強大驗證模型的同時，變得更快、成本更低且更具擴展性。

在許多現代區塊鏈系統中，zk-STARK 並非主要用來隱藏全部交易資料。

它們通常用作有效性證明，亦即證明一批交易或狀態更新遵循規則。

StarkWare 在其以零知識證明擴展區塊鏈文章中說明，許多 Layer 2 系統主要使用這類證明，以較少的驗證者工作量建立交易完整性。

這項區別很重要，因為「零知識」一詞可能讓新手以為 zk-STARK 只和隱私有關。

隱私是可能的應用情境之一，但可擴展性與可驗證運算也是主要應用。

在加密貨幣基礎設施中，zk-STARK 可支援 Rollup、有效性證明、可驗證執行、私密應用程式、以證明為基礎的身分系統，以及依賴高效驗證的未來區塊鏈設計。

zk-STARK 如何運作

zk-STARK 會將運算轉換為可高效驗證的數學證明。

證明者會先執行運算，例如在鏈下處理大量區塊鏈交易。

接著，證明者建立可顯示該運算遵循必要規則的證明。

驗證者檢查證明，而非重複整個運算。

若證明有效，驗證者便接受結果。

若證明無效，驗證者便拒絕結果。

在區塊鏈情境中，驗證者通常是基礎鏈上的智能合約。

例如，Layer 2 網路可在基礎鏈外處理大量交易，並提交 zk-STARK 證明來顯示新狀態有效。

基礎鏈不必執行該批次中的每筆交易。

它只需驗證證明，並在證明正確時接受狀態更新。

此設計可減少基礎層所需的運算量。

它也能讓區塊鏈生態系統處理更多活動，同時將安全性錨定於基礎鏈。

對使用者而言，這可能代表較低手續費、更快的活動速度及更順暢的應用程式體驗。

拆解 zk-STARK 名稱

「zk」代表 zero-knowledge（零知識）。

零知識是指證明可顯示某項陳述為真，卻不揭露該陳述背後所有私密資訊。

在加密貨幣中，這可協助保護敏感資料，但並非每個基於 zk-STARK 的系統都設計為提供完整交易隱私。

「S」代表 scalable（可擴展）。

可擴展表示該證明系統旨在高效處理大型運算，尤其當運算規模遠大於驗證工作時。

「T」代表 transparent（透明）。

透明表示 zk-STARK 不需要可信設定儀式來產生祕密公開參數。

這是 zk-STARK 與某些較早期零知識證明系統最重要的差異之一。

「ARK」代表 Argument of Knowledge（知識論證）。

這表示證明可顯示證明者掌握產生有效結果所需的資訊。

StarkWare 的 STARK 說明在其STARK 技術文件中，將這些部分稱為 Zero-Knowledge、Scalable、Transparent 與 Argument of Knowledge。

zk-STARK 的透明性是什麼？

透明性是 zk-STARK 很重要的主要原因之一。

部分零知識證明系統需要可信設定。

可信設定是建立證明系統所用參數的流程。

若設定中的祕密資訊未被正確銷毀，可能造成嚴重的安全風險。

這種隱藏祕密在密碼學討論中有時稱為「有毒廢料」。

zk-STARK 以可公開驗證的隨機性取代祕密設定材料，因此避免了這項問題。

Ethereum 的零知識證明文件說明，ZK-STARK 依靠可公開驗證的隨機性產生公開參數，而非可信設定。

此透明性可讓 zk-STARK 對開放式區塊鏈系統更具吸引力。

公鏈旨在降低對私人參與者的信任需求。

避免可信設定儀式的證明系統，很符合這項目標。

對使用者而言，透明性代表系統不依賴於相信過去的設定儀式是否被完美處理。

對開發者而言，建立以證明為基礎的系統時，這可降低營運及安全複雜度。

zk-STARK 與 zk-SNARK

zk-STARK 與 zk-SNARK 都是零知識證明系統，但採取不同取捨。

zk-SNARK 通常產生非常小的證明，且驗證效率可能很高。

zk-STARK 通常產生較大的證明，但不需要可信設定。

Ethereum 的零知識證明指南指出，ZK-STARK 產生的證明通常比 ZK-SNARK 更大，可能導致較高的驗證額外負擔。

不過，zk-STARK 對非常大型的運算可能更具擴展性。

由於它們依賴雜湊假設而非橢圓曲線假設，也常被描述為對未來量子運算威脅具有較高抵抗力。

這不表示 zk-STARK 在所有情況下都自動更好。

證明大小、驗證成本、證明者時間、開發工具、智能合約支援及應用需求都很重要。

專案若需要較小證明及成熟工具，可能選擇 zk-SNARK。

若重視透明性、大型運算的可擴展性，以及對未來量子攻擊更強的假設，專案可能選擇 zk-STARK。

正確選擇取決於系統設計。

zk-STARK 與區塊鏈擴容

區塊鏈擴容是 zk-STARK 最重要的應用情境之一。

許多基礎層區塊鏈會在使用者需求上升時變得昂貴。

若每個節點都必須執行每筆交易，系統可能變慢或成本升高。

zk-STARK 可讓運算在鏈下進行，同時由基礎鏈驗證精簡證明，藉此提供協助。

這對有效性 Rollup 等 Layer 2 系統尤其有用。

有效性 Rollup 在基礎鏈外處理交易，並提交狀態轉換有效的證明。

Starknet 在其官方網路概述中將自身描述為使用 STARK 技術，透過先進數學與密碼學驗證鏈下交易的有效性 Rollup。

在此模型中，基礎鏈仍是結算與安全層。

Rollup 則以更有效率的方式處理執行。

STARK 證明透過證明鏈下執行正確，連接這兩個層級。

由於基礎鏈驗證證明，而非直接處理每項使用者操作，這可提升吞吐量。

由於許多使用者共同分攤一次證明與一次狀態更新的成本，也可能降低手續費。

zk-STARK 與有效性證明

在加密貨幣領域，zk-STARK 常被描述為有效性證明。

有效性證明確認某項運算已正確執行。

這不同於詐欺證明模型；後者會假定結果正確，除非有人提出挑戰。

採用有效性證明時，結果在被接受之前就會先證明其正確性。

這可改善最終性，因為使用者不必像某些其他擴容設計那樣等待較長的挑戰期。

例如，Rollup 可處理一批交易、產生 zk-STARK 證明，並將該證明提交至基礎鏈。

證明一旦通過驗證，狀態更新即可被接受為有效。

這很強大，因為它改變了基礎鏈的角色。

基礎鏈不再必須執行每項操作。

它成為以證明為基礎之運算的驗證者。

這也是許多區塊鏈研究人員將有效性證明視為大規模加密貨幣採用重要途徑的原因之一。

zk-STARK 與隱私

zk-STARK 可支援隱私，但隱私並非自動具備。

零知識證明可在證明陳述為真的同時隱藏特定輸入資料。

例如，使用者可證明自己符合某項條件，而不揭露該條件背後的所有個人資料。

在區塊鏈支付中，證明系統可協助證明交易有效，而無須公開揭露所有交易資訊。

然而，許多基於 zk-STARK 的擴容系統將證明用於正確性，而非完整隱私。

交易資料是否仍可見取決於網路設計。

因此，使用者不應僅因區塊鏈或應用程式使用 zk-STARK 就假設其具備隱私性。

使用者應確認哪些資料公開、哪些資料隱藏，以及哪些資訊仍可能透過錢包行為被連結。

就 SEO 與使用者教育而言，這是關鍵重點：zk-STARK 是證明技術，本身不是隱私保證。

zk-STARK 與資料可用性

資料可用性是基於 zk-STARK 的區塊鏈系統的重要議題。

有效性證明可顯示狀態轉換正確。

不過，使用者仍需要取得足夠資料，才能理解鏈上狀態、確認餘額並安全提領資金。

若交易資料或狀態資料不可用，即使證明有效，使用者仍可能難以獨立驗證自己的倉位。

因此，Rollup 設計必須同時考量證明有效性與資料可用性。

zk-STARK 證明回答的是運算是否正確完成。

資料可用性回答的是使用者能否取得追蹤系統所需資訊。

強大的區塊鏈擴容設計應清楚處理這兩項問題。

使用者應確認資料是發布至基礎鏈、透過資料可用性層儲存，或由獨立委員會或營運者保管。

安全模型會因答案而改變。

zk-STARK 的優點

zk-STARK 的第一項優點是透明性。

由於 zk-STARK 不需要可信設定，使用者無須信任祕密設定材料已被正確銷毀。

第二項優點是可擴展性。

zk-STARK 旨在讓大型運算更容易驗證。

這使其適用於 Rollup、區塊鏈遊戲、高交易量支付及複雜的去中心化應用程式。

第三項優點是強大的安全假設。

zk-STARK 高度依賴雜湊函數，而這類函數已在密碼學中受到廣泛研究。

第四項優點是可能抵抗未來量子攻擊。

Ethereum 的零知識證明文件表示，由於 ZK-STARK 依賴抗碰撞雜湊函數，因此被認為不受量子運算威脅影響。

第五項優點是廣泛適用性。

zk-STARK 可應用於區塊鏈擴容、私密運算、身分系統、可驗證機器運算及以證明為基礎的基礎設施。

第六項優點是可稽核性。

驗證者可檢查證明，並在不重複每一步的情況下，更有信心該運算有效。

zk-STARK 的限制

zk-STARK 的第一項限制是證明大小。

zk-STARK 證明通常比 zk-SNARK 證明更大。

較大的證明可能提高儲存、頻寬及鏈上驗證成本。

第二項限制是證明複雜度。

建立 zk-STARK 證明可能需要大量運算、專用軟體及最佳化基礎設施。

第三項限制是開發難度。

建立使用先進證明系統的應用程式，需要密碼學、程式語言、電路設計及區塊鏈工程知識。

第四項限制是使用者混淆。

許多使用者看到「zk」就假設系統具備隱私性，但許多 zk-STARK 系統主要是為擴容而建。

第五項限制是基礎設施集中化。

若證明生成需要昂貴硬體或專業營運者，證明流程可能比使用者預期更加集中。

第六項限制是部分鏈上的驗證成本。

即使驗證遠比重新執行大型運算便宜，仍然需要成本。

對區塊鏈應用程式而言，必須在此成本與批次處理大量交易的節省之間取得平衡。

zk-STARK 的常見應用

zk-STARK 最常見的加密貨幣應用是 Layer 2 擴容。

Layer 2 網路可使用 zk-STARK 證明來顯示鏈下交易批次有效。

這有助於網路降低手續費並提高吞吐量，同時與基礎鏈維持強連結。

另一項應用是可驗證運算。

使用者或應用程式可證明運算正確執行，而無須要求每位驗證者重複該工作。

這可用於遊戲、金融應用程式、拍賣、投票系統及複雜智能合約邏輯。

第三項應用是私密身分。

使用者可證明自己符合條件，例如高於規定年齡或屬於核准群組，而無須揭露不必要的個人資料。

第四項應用是符合合規需求的隱私。

證明可協助使用者揭露指定事實，同時使其他資訊保持私密。

第五項應用是區塊鏈壓縮。

大量交易活動可由證明與承諾表示，而非由每個節點完整重新執行。

第六項應用是未來以證明為基礎的基礎設施。

隨著零知識研究進步，zk-STARK 可能成為可驗證 AI 運算、跨鏈訊息、去中心化身分及高效能區塊鏈應用程式系統的一部分。

zk-STARK 與量子抵抗性

量子抵抗性是 zk-STARK 在加密貨幣安全討論中受到關注的原因之一。

部分證明系統使用橢圓曲線密碼學。

未來足夠強大的量子電腦可能威脅某些橢圓曲線假設。

zk-STARK 不同之處在於，它通常基於抗碰撞雜湊函數。

這使其與依賴橢圓曲線配對的證明系統具有不同的安全性特徵。

Ethereum 的零知識證明文件將 ZK-STARK 描述為因依賴抗碰撞雜湊而被認為不受量子運算威脅影響。

這不代表每個使用 zk-STARK 的區塊鏈系統在設計的所有部分都完全具備抗量子能力。

錢包簽章、跨鏈橋、智能合約及其他密碼學元件可能使用不同假設。

儘管如此，zk-STARK 通常被視為希望採用較具未來抵抗性假設之證明技術的系統的強大選項。

zk-STARK 與標準化

零知識證明系統仍是密碼學中先進且快速發展的領域。

標準化很重要，因為開發者、稽核人員、監管機構及使用者需要共通語言與最佳實務。

ZKProof Community Reference推動零知識證明開發的術語、範例、說明及建議。

美國國家標準與技術研究院也透過其增進隱私密碼學零知識證明頁面，記錄其過去與 ZKProof 的合作。

這對加密貨幣很重要，因為證明系統可能保護大量使用者價值。

即使數學概念很強，薄弱的實作仍可能產生風險。

良好標準、謹慎稽核、開放研究及同儕審查有助於降低這些風險。

隨著 zk-STARK 的採用增加，安全審查與形式化方法仍將是保護使用者的重要環節。

zk-STARK 如何影響加密貨幣使用者

大多數使用者不會手動建立 zk-STARK 證明。

不過，在使用依賴證明型擴容的應用程式時，他們仍可能受益於 zk-STARK。

例如，使用者可能在使用 STARK 證明的 Layer 2 網路上進行代幣轉帳。

使用者體驗可能像一般交易，但其背後系統正在批次處理活動並證明正確性。

這可降低手續費，並讓去中心化應用程式更容易使用。

使用者仍應了解風險。

zk-STARK 證明不會消除所有智能合約風險。

它不會自動保證隱私。

它不會消除跨鏈橋風險。

它不保證排序器或營運者完全去中心化。

它只證明系統定義的特定運算或狀態轉換。

該證明很強大，但只是較大型區塊鏈安全模型的一部分。

開發者如何使用 zk-STARK

開發者使用 zk-STARK 建立驗證成本低於直接執行成本的系統。

這可能涉及以適合證明的語言編寫程式、將邏輯編譯為中間表示、生成證明，並在鏈上或鏈下驗證這些證明。

部分生態系統使用專為 STARK 型運算設計的特殊程式語言。

開發者必須仔細思考所證明的陳述是什麼。

證明的實用性取決於它所表示的規則。

若程式有錯誤，證明可能正確地證明了錯誤邏輯。

因此，稽核、測試、形式化驗證及謹慎設計都很重要。

開發者還需考量證明時間、證明大小、驗證成本、資料可用性、升級路徑及使用者退出機制。

在加密貨幣中，證明系統並非獨立於產品設計之外。

它會影響手續費、安全性、去中心化及使用者體驗。

用簡單方式理解 zk-STARK

zk-STARK 就像老師用一張特殊證書檢查學生的最終答案，而不是閱讀學生每一行計算過程。

該證書證明作業遵循規則。

老師可以快速驗證證書。

以區塊鏈術語來說，學生是證明者。

老師是驗證者。

作業是大型運算，例如數千筆交易。

證書就是 zk-STARK 證明。

這很實用，因為公鏈無法負擔讓每個節點永遠重做每項繁重運算。

zk-STARK 讓區塊鏈以較少工作驗證更多活動。

這就是它對加密貨幣可擴展性很重要的原因。

常見問題

zk-STARK 代表什麼？

zk-STARK 代表 Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge。

zk-STARK 在加密貨幣中有什麼用途？

zk-STARK 用於證明區塊鏈運算或交易批次有效，而無須每位驗證者重複完整運算。

zk-STARK 只用於隱私嗎？

不是。zk-STARK 可支援隱私，但在許多區塊鏈系統中，主要用於可擴展性及有效性證明。

為何 zk-STARK 被稱為透明？

它們被稱為透明，是因為不需要可信設定儀式來建立祕密公開參數。

zk-STARK 與 zk-SNARK 有何不同？

zk-STARK 通常有較大的證明，但可避免可信設定，且通常被視為更適合大型運算的可擴展方案。

zk-STARK 具備抗量子能力嗎？

zk-STARK 一般被認為對未來量子攻擊有較高抵抗力，因為它們依賴抗碰撞雜湊函數，而非橢圓曲線配對。

zk-STARK 會讓交易變成私密嗎？

它們可用於隱私系統，但網路使用 zk-STARK 技術不代表交易會自動變成私密。

什麼是有效性證明？

有效性證明是一種密碼學證明，可在結果被接受前顯示運算或狀態轉換已正確執行。

為何 Rollup 使用 zk-STARK？

Rollup 可利用 zk-STARK 證明許多鏈下交易已正確處理，這有助於降低成本並提高吞吐量。

zk-STARK 的主要弱點是什麼？

主要弱點是 zk-STARK 證明通常比 zk-SNARK 證明大，可能提高部分系統的驗證及資料成本。

新手可以使用以 zk-STARK 建立的應用程式嗎？

可以。新手無須理解所有密碼學細節即可使用以 zk-STARK 建立的應用程式，但仍應了解跨鏈橋風險、智能合約風險及資料可用性風險等基本風險。

為何 zk-STARK 對區塊鏈採用很重要？

它們可協助區塊鏈以較少工作驗證更多運算，進而可能支援較低手續費、更高吞吐量及更實用的去中心化應用程式。

結論

zk-STARK 是現代加密貨幣中最重要的證明技術之一。

它讓證明者能顯示某項運算已正確完成，同時讓驗證者高效檢查結果。

其主要優勢是可擴展性、透明性及強大的密碼學假設。

對區塊鏈網路而言，zk-STARK 可支援 Layer 2 擴容、有效性 Rollup、可驗證運算及注重隱私的應用程式。

它們特別有價值，因為可避免可信設定儀式，並能以證明型方式處理大型運算。

不過，zk-STARK 也有取捨，包括較大證明大小、複雜開發、證明成本及可能的基礎設施集中化。

使用者應記得，zk-STARK 技術雖然強大，卻不會自動消除加密貨幣系統中的所有風險。

基於 zk-STARK 的應用程式之完整安全性，取決於智能合約、資料可用性、跨鏈橋、排序器、治理、稽核及具體證明設計。

隨著區塊鏈採用增加，zk-STARK 很可能繼續成為加密貨幣基礎設施的重要部分，因為它們有助於解決產業最棘手的問題之一：在不放棄信任最小化安全性的前提下，驗證更多活動。