區塊鏈中的零知識證明技術及其應用

［摘 要］區塊鏈技術因其去中心化、安全性和透明性等優越特性，使其在金融、供應鏈管理、物聯網、醫療健康等領域獲得了廣泛關注與應用。然而，隨著大數據背景下數據隱私需求的極速增長，如何在區塊鏈中實現數據隱私保護成為一個關鍵性問題。零知識證明（Zero-Knowledge Proof，ZKP）作為一種無須提供具體信息即可驗證真假的密碼學技術，為隱私保護提供了一種有效的解決方案。本文首先介紹了零知識證明的基本原理及其在區塊鏈中的應用場景。其次探討了幾種典型的零知識證明協議，如zk-SNARKs、zk-STARKs等，并分析了這些技術在區塊鏈中的實際應用與挑戰。最后，對零知識證明技術的未來發展方向進行了展望。

［關鍵詞］區塊鏈；零知識證明；隱私保護；智能合約；身份驗證

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2025.07.049

［中圖分類號］TP315 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2025）07-0160-04

0" " "引 言

隨著區塊鏈技術的不斷發展和廣泛應用，如何在公開透明的區塊鏈網絡中保護用戶隱私成為亟待解決的問題。傳統的密碼學方法難以在保證數據隱私的同時，滿足去中心化系統的要求。零知識證明技術作為一種無須泄露任何額外信息即可證明特定聲明真實性的密碼學技術，近年來在區塊鏈領域受到了極大的關注。零知識證明不僅可以增強區塊鏈的隱私保護，還可以優化其性能和可擴展性，尤其是在去中心化金融（DeFi）、數字身份驗證和隱私貨幣等領域展現出重要潛力。本文將從零知識證明技術的基礎理論出發，探討其在區塊鏈中的具體應用場景、當前面臨的挑戰以及未來的研究方向。通過對零知識證明技術的研究，我們可以進一步理解其在保障數據隱私與增強區塊鏈安全性方面的關鍵作用。

1" " "零知識證明技術概述

1.1" "零知識證明的定義和基本概念

零知識證明是一種密碼學協議，允許一方（證明者）在不透露任何除結論本身外的其他信息的情況下，向另一方（驗證者）證明自己擁有某個特定的知識或秘密[1]。換句話說，證明者能夠向驗證者證明自己知道某個秘密，但不需要透露秘密的具體內容。同時零知識證明的基本概念主要基于完備性、可靠性和零知識性三個核心性質。零知識證明在區塊鏈和隱私保護領域，如Zcash加密貨幣和以太坊的zk-rollup技術中都有重要應用。

1.2" "零知識證明的分類

交互式零知識證明（Interactive Zero-Knowledge Proof）。證明者和驗證者之間通過多輪互動來完成證明[2]。在每輪互動中，驗證者會向證明者提出挑戰，證明者根據秘密生成響應，最終驗證者能夠確定證明者是否確實知道秘密。

非交互式零知識證明（Non-Interactive Zero-Knowledge Proof，NIZK）。證明者可以生成一個單一的證明，驗證者通過驗證這個證明來確定其真實性，無須與證明者進行多輪互動。這種方式通常需要一個可信的公共參考字符串（Common Reference String，CRS）來生成證明。

完全零知識證明（Perfect Zero-Knowledge Proof）。

在這種證明中，驗證者不可能從證明中學到任何新的信息。

計算零知識證明（Computational Zero-Knowledge Proof）。在這種證明中，驗證者從證明中獲得的信息極其有限，幾乎沒有任何用處。

1.3" "零知識證明的主要特性

（1）完備性。如果證明者確實擁有某個秘密信息，那么通過零知識證明協議，他一定能夠說服驗證者。

（2）可靠性。如果證明者沒有秘密信息，那么他不可能欺騙驗證者（除了極小的概率）。

（3）零知識性。證明者在整個證明過程中，不會泄露任何有關秘密的信息，驗證者只會知道證明者確實擁有秘密這一事實。

（4）低通信量。特別是在非交互式零知識證明中，通信量非常低，這使其適用于帶寬有限的環境中。

（5）可擴展性。在區塊鏈等去中心化系統中，零知識證明可以用于構建高效的隱私保護協議[3]，如ZK-SNARKs（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）等。

2" " "零知識證明在區塊鏈中的應用

2.1" "區塊鏈中的隱私保護需求

區塊鏈的公開性和透明性使所有交易數據對所有參與者都是可見的，這雖然增強了信任和透明度，但也帶來了隱私問題。例如，在比特幣網絡中，雖然用戶使用的是偽匿名地址，但通過交易分析，仍然可以推斷出用戶的身份和財務狀況[4]。因此，在區塊鏈應用中，隱私保護成為一個重要需求。首先，用戶希望其交易隱私。當用戶在區塊鏈上進行交易時，其交易金額、發送方和接收方的信息能夠保密。這類需求推動了基于零知識證明的隱私保護技術的發展，如zk-SNARKs、zk-STARKs，以及其他零知識證明協議。其次，用戶希望智能合約隱私。由于智能合約通常在鏈上公開執行，所有的輸入、輸出和邏輯都可被所有參與者查看。這對涉及敏感數據的應用來說是一個巨大挑戰。零知識證明技術可以幫助實現智能合約的隱私計算，使合約在不暴露任何敏感數據的情況下驗證其執行結果。最后，用戶希望身份驗證隱私。當用戶在進行身份驗證時，能夠證明自己有權訪問某些資源或身份驗證成功，而無須透露任何額外的身份信息。零知識證明在這方面的應用可以使身份驗證過程更加安全和隱私友好。

2.2" "零知識簡潔非交互性知識論證（zk-SNARKs）的應用

zk-SNARKs是一種零知識證明的具體實現，具有非交互性、簡潔性和高效性的特點，使其廣泛應用于隱私幣（如Zcash）中，使交易可以在區塊鏈上保密進行。通過zk-SNARKs，用戶可以在不公開交易細節的情況下證明交易的有效性，從而保護交易隱私。同時由于其證明過程簡潔且驗證速度快，被認為在擴展區塊鏈網絡上有很大潛力。通過減少交易驗證所需的計算量，zk-SNARKs可以提高區塊鏈的擴展性，處理更多的交易。另外，zk-SNARKs還可以用于實現私有智能合約，即在不泄露合約內容和執行細節的情況下，保證合約執行的正確性。這對金融、醫療、供應鏈等敏感數據密集型領域具有重要意義。

2.3" "可擴展透明知識論證（zk-STARKs）的應用

zk-STARKs是zk-SNARKs的改進版本，解決了其依賴可信設置的不足，同時在可擴展性和透明性方面有了進一步的提升。由于zk-STARKs不依賴可信設置，因此更加安全和透明。在實際應用中，

zk-STARKs可以消除對中心化信任方的依賴，降低系統被攻擊的風險。同時zk-STARKs比zk-SNARKs更具可擴展性，能夠處理更大的數據集和更復雜的計算。這使其在大規模區塊鏈網絡和復雜的智能合約中具有明顯的優勢。另外，zk-STARKs還可用于大規模數據的完整性證明，如證明某個數據集（如區塊鏈歷史數據）在不泄露數據內容的情況下是完整的且未經篡改。這對于去中心化存儲和審計場景來說是非常適合。

2.4" "其他零知識證明協議的應用

除zk-SNARKs和zk-STARKs外，還有其他多種零知識證明協議在區塊鏈中有著重要應用，如Bulletproofs、Groth16、ZKBoo、ZKB++和Ligero等。其中，Bulletproofs是一種不需要可信設置的零知識證明協議，主要用于減少區塊鏈交易中的數據大小，尤其適用于隱私幣中的保密交易；Groth16則是一種改進的zk-SNARKs，進一步簡化了證明的生成和驗證過程，在性能上有顯著提升，Zcash的Sapling升級采用了Groth16，使其隱私保護機制更加高效；而ZKBoo、ZKB++和Ligero則是專門為輕量級設備設計的零知識證明協議，適用于資源受限的區塊鏈應用場景，如物聯網設備的身份驗證和交易保護。

3" " "零知識證明技術面臨的挑戰

在計算復雜度和性能問題方面，零知識證明的計算過程通常非常復雜，特別是復雜的電路或算法，生成和驗證證明可能需要大量的計算資源[5]。這在資源有限的設備上（如智能手機）特別具有挑戰性。在可擴展性方面，隨著區塊鏈網絡的不斷擴展，ZKP技術需要能夠處理大量的交易和數據。如何在不犧牲效率和安全性的情況下，使ZKP在大規模系統中保持可擴展性，仍是一個難題。在標準化和可操作性方面，在不同的ZKP方案之間建立標準，確保不同系統之間的互操作性，也是一個亟待解決的問題。在安全性方面，雖然ZKP理論上是安全的，但在實際實現中，可能會因各種原因（如實現錯誤、側信道攻擊等）而引入安全漏洞。確保ZKP系統的實際安全性需要嚴格的審計和測試。另外，可能還會面臨用戶體驗不佳和隱私與監管不平衡等問題發生。

4" " "未來發展方向

4.1" "零知識證明技術的優化方向

當前，零知識證明的生成和驗證過程可能會耗費較多的計算資源。研究更高效的證明方案以減少計算復雜度和提高生成與驗證速度是一個重要的優化方向；同時優化證明的緊湊性，減少其大小，可以大幅降低區塊鏈網絡的負擔。另外，應開發更通用的零知識證明系統，使其能夠適應更多樣化的應用場景。

4.2" "在其他區塊鏈場景中的應用可能性

零知識證明技術不僅在隱私保護中具有重要作用，還可以在區塊鏈的其他場景中發揮作用。利用零知識證明技術，可以實現輕量級節點無須驗證所有交易，只需驗證一個零知識證明，從而大幅提升區塊鏈網絡的可擴展性。通過零知識證明，用戶可以在不泄露身份信息的前提下證明其擁有某種特權或身份，從而實現更加安全的身份認證系統。而在供應鏈管理、物聯網等場景中，零知識證明技術可以幫助驗證數據的完整性，而無須暴露實際數據內容。如果將零知識證明與智能合約結合，可以在保護隱私的同時，實現智能合約的正確性驗證和執行。

4.3" "跨鏈隱私保護和零知識證明結合的前景

隨著區塊鏈生態系統的不斷發展，不同區塊鏈之間的互操作性變得越來越重要。跨鏈技術的研究使不同區塊鏈之間的數據和資產能夠安全地交換，而零知識證明則可以為這些交換提供隱私保護。通過零知識證明，可以在不暴露交易細節的情況下，實現不同鏈上交易的跨鏈驗證，從而確保交易的有效性，還可以確保跨鏈資產轉移的隱私性和安全性，避免資產在轉移過程中受到攻擊或信息泄露。當跨鏈智能合約結合了零知識證明，則可以在多個鏈上執行而不暴露合約的邏輯或數據，確保合約的隱私性和安全性。未來不同區塊鏈之間的互動會變得更加安全，同時，用戶隱私也將不容易被泄露。

5" " "結束語

零知識證明技術為區塊鏈中的隱私保護提供了強有力的支持，其在去中心化且需要保證交易隱私、智能合約隱私和身份驗證隱私的應用場景中的潛力不容忽視。通過應用零知識證明技術，區塊鏈可以有效地解決隱私保護與數據共享之間的矛盾，增強用戶的信任度和系統的安全性。然而當前技術在計算復雜度和實際部署上仍面臨挑戰，包括計算資源的消耗、證明生成和驗證的效率問題，以及與現有區塊鏈架構的兼容性問題等。隨著研究的深入和技術的不斷發展，零知識證明技術有望在未來成為區塊鏈隱私保護的核心工具。未來的研究應重點關注技術優化和新應用場景的探索，以進一步提升區塊鏈系統的隱私保護和安全保障。

主要參考文獻

［1］宋英齊，馮榮權.零知識證明在區塊鏈中的應用綜述［J］. 廣州大學學報（自然科學版），2022（4）：21-36.

［2］萬巍，劉建偉，龍春，等.區塊鏈上的零知識證明技術及其典型算法、工具綜述［J］.農業大數據學報，2024（2）：205-219.

［3］安婧.面向雙服務器的可驗證外包計算研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

［4］馬明明.基于零知識證明的區塊鏈隱私保護模型研究［D］. 重慶：重慶郵電大學，2022.

［5］李康，孫毅，張珺，等. 零知識證明應用到區塊鏈中的技術挑戰［J］.大數據，2018（1）：57-65.

［收稿日期］2024-10-21

［作者簡介］劉易（1991— ），女，貴州貴陽人，碩士，講師，主要研究方向：信息安全。