Coinbase : Aperçu complet du paysage des preuves à connaissance nulle
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Coinbase : Aperçu complet du paysage des preuves à connaissance nulle
Cet article propose une analyse approfondie de l'écosystème des preuves à connaissance nulle à travers trois niveaux : infrastructure, réseau et application.
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRédaction : Jonathan King
Traduction : TechFlow
La technologie des preuves à connaissance nulle (ZKP) est devenue une percée majeure dans le domaine de la cryptographie. Cet article explore en profondeur les principes fondamentaux des ZKP, leurs applications pratiques, ainsi que leur impact sur l'évolutivité des blockchains, les applications de protection de la vie privée et l'interopérabilité sans confiance. Avec une augmentation constante des investissements dans cette technologie en 2023, les preuves à connaissance nulle ne se développent pas seulement théoriquement, mais démontrent également un large potentiel d'applications pratiques. Nous analyserons en détail l'écosystème ZKP à travers trois couches — infrastructure, réseaux et applications — afin de révéler comment il ouvre une nouvelle ère pour la technologie blockchain.
Résumé
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Les preuves à connaissance nulle (ZKP) et leurs technologies dérivées constituent une avancée majeure en cryptographie, souvent considérées comme l'objectif ultime du design blockchain.
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Aujourd'hui, les ZKP deviennent progressivement des solutions prometteuses aux problèmes non résolus de web3, notamment l'évolutivité blockchain, les applications de confidentialité et l'interopérabilité sans confiance.
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En 2023, plus de 400 millions de dollars ont été investis dans les technologies ZK, principalement concentrés sur l'évolutivité des protocoles Ethereum L1/L2, les infrastructures émergentes et les outils pour développeurs.
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Le domaine ZK peut être divisé en trois couches :
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1) Infrastructure : outils/matériels permettant de construire des protocoles/applications au-dessus des primitives ZK
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2) Réseaux : protocoles L1/L2 utilisant des systèmes de preuve ZK
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3) Applications : produits finaux exploitant les mécanismes ZK
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Bien que l'écosystème ZK en soit encore à ses débuts, sa croissance rapide pourrait inaugurer une nouvelle ère de solutions blockchain sécurisées, privées et évolutives.
Introduction
Les preuves à connaissance nulle (ZKP) et leurs technologies associées sont largement perçues comme l’objectif final du design blockchain, fournissant des solutions qui nécessitent presque aucun postulat de confiance lors de la vérification d’informations sur la chaîne. Le cœur de la preuve à connaissance nulle repose sur une technique cryptographique permettant à une partie (le prouveur) de démontrer à une autre (le vérificateur) qu’un calcul est valide, sans divulguer aucune donnée sous-jacente utilisée pour ce calcul. Nées en 1985, les ZKP ont évolué de la théorie vers des applications concrètes, grâce à des progrès récents en logiciels et en matériel qui ont surmonté des décennies de stagnation.
Aujourd’hui, les ZKP offrent des solutions prometteuses aux plus grands défis auxquels Web3 fait face, notamment :
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Évolutivité blockchain : l'un des principaux défis d’Ethereum L1 est son évolutivité. Toutefois, l’émergence des réseaux L2 a permis d’accélérer les transactions et de réduire leurs coûts, sans compromettre la sécurité ni la décentralisation d’Ethereum. Bien que les rollups optimistes dominent grâce à leur forte compatibilité avec EVM et leur convivialité pour les développeurs, l’adoption des rollups ZK augmente régulièrement. Les ZKP permettent de résumer efficacement des calculs complexes hors chaîne, renforçant ainsi la conception L2 pour une validation et un règlement rapides et efficaces sur chaîne.
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Applications de protection de la vie privée : jusqu’à présent, les efforts autour de la confidentialité dans le secteur blockchain se sont principalement limités au masquage des transactions. Toutefois, les chercheurs progressent vers une anonymisation et une confidentialité complètes des transactions sur les blockchains publiques. Des concepts novateurs de protection de la vie privée basés sur les ZKP émergent, visant à lever le dilemme entre protection de la vie privée et conformité réglementaire (c’est-à-dire prévention des activités illégales).
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Interopérabilité sans confiance : les protocoles d’interopérabilité existants reposent sur des systèmes de confiance (par exemple, multisignatures ou validateurs incités). Les preuves ZK peuvent remplacer ces hypothèses de confiance économique par des garanties cryptographiques, ouvrant la voie à des communications inter-chaînes plus sûres et robustes. Toutefois, parmi les principales applications des ZKP, l’interopérabilité est la plus émergente.
Selon Messari, plus de 400 millions de dollars ont été investis dans le domaine ZK en 2023, mettant l’accent sur l’évolutivité des couches L1/L2 d’Ethereum et les nouvelles infrastructures de développement ZK. Bien que relativement nouveau, l’écosystème ZK en pleine expansion laisse présager une convergence vers les meilleures pratiques pour des applications blockchain plus sûres, privées et évolutives. Dans cet esprit, examinons de plus près le domaine stratifié des ZKP, en explorant les acteurs clés et les concepts émergents.
Infrastructure
Toute forme de preuve à connaissance nulle doit être exprimée en langage de circuits arithmétiques, dont l'expressivité est limitée, rendant complexe la conversion de la plupart des fonctions blockchain en format circuit. La limitation des outils de développement et du matériel haut de gamme a retardé les applications pratiques des ZKP jusqu'à récemment. Aujourd'hui, une série d'outils et de systèmes apparaît, permettant aux développeurs de construire des protocoles et applications sur des infrastructures cryptographiques ZK.
Cadres de programmation et outils : les langages spécialisés (DSL), tels que Leo, Noir, Cairo et o1js, sont des cadres de développement destinés à créer des programmes prouvables en ZK dans des écosystèmes L1/L2 spécifiques (respectivement Aleo, Aztec, Starkware et Mina). En outre, des cadres universels comme Elusiv et Hinkal émergent, visant à permettre aux développeurs de définir des normes spécifiques pour masquer les données transactionnelles sur chaîne tout en les validant via des preuves ZK. On s'attend à une adoption croissante de ces cadres avec la demande montante des développeurs et utilisateurs finaux potentiels pour des applications pilotées par ZK.
Accélérateurs ZK : les accélérateurs ZK offrent aux développeurs une capacité de calcul hors chaîne rentable et sans confiance, tout en supprimant la nécessité de gérer directement les composants complexes liés aux ZKP dans la pile technique. Des équipes comme RiscZero, Axiom et Herodotus proposent des plateformes de calcul vérifiable, générant des preuves attestant de l’exécution et de la validité de programmes arbitraires, ou permettant aux contrats intelligents de stocker, accéder et vérifier des données historiques sur chaîne sans ajouter d’hypothèses de confiance supplémentaires. À terme, les accélérateurs ZK devraient devenir indispensables pour des applications de plus en plus avancées.
Réseaux/marchés de preuves : aujourd’hui, la plupart des réseaux et protocoles ZK dépendent d’un processus de preuve centralisé. Avec la croissance de l’adoption ZK, on s’attend à ce que les équipes cherchent à décentraliser leur couche de preuve pour améliorer disponibilité et résistance à la censure. Des réseaux et marchés émergents, tels que ceux proposés par =nil; Foundation, RiscZero, Gevulot et Lumoz, visent à permettre aux applications d’externaliser leurs mécanismes de preuve vers des opérateurs tiers, réduisant ainsi les coûts liés à l’exploitation d’infrastructures ZK.
Accélération matérielle : la génération de preuves ZK impliquant d’importants calculs mathématiques, elle est coûteuse et intensivement consommatrice de ressources. Toutefois, des progrès significatifs ont été accomplis grâce à l’utilisation de matériel spécialisé tel que les FPGA (circuits programmables) et les ASIC (circuits intégrés spécifiques), améliorant sensiblement les temps de génération et de vérification des preuves. Des fournisseurs spécialisés comme Ingonyama, Cysic et Fabric sont à la pointe de la fourniture de FPGA et ASIC pour les systèmes ZK, et l’on s’attend à une innovation et un investissement croissants dans la conception matérielle ZK à l’avenir.
Infrastructure pour chaînes applicatives : des fournisseurs de type Rollup-as-a-Service (RaaS) comme Spire, ProtoKit et Lumoz offrent aux développeurs des outils low-code pour construire, tester et déployer des chaînes L2/L3 généralistes ou spécifiques utilisant des mécanismes ZK. Des séquenceurs comme Espresso, Radius et Madara fournissent l’infrastructure nécessaire pour accepter les transactions utilisateur, ordonner celles-ci et publier les blocs sur la couche consensus et disponibilité des données L1. Nous estimons que la prochaine génération d’évolutivité Ethereum sera portée par des piles modulaires de rollups L2, créant potentiellement une demande pour ces fournisseurs à court et moyen terme.
Interopérabilité et ponts : les systèmes de ponts deviennent de plus en plus minimisant la confiance, réduisant leur dépendance aux humains (ex. multisignatures ou validateurs incités) au profit de code (ex. clients légers, relais et preuves ZK). Des équipes comme Polyhedra, Lambda Class et Polymer Labs explorent cette voie. Parmi les applications ZK, l’interopérabilité est la plus émergente, mais avec un accès accéléré aux infrastructures ZK, nous anticipons davantage d’innovations dans la conception des ponts.
Machine learning à connaissance nulle (ZKML) : le ZKML est un domaine de pointe en cryptographie, axé sur l’utilisation de preuves ZK pour attester de la justesse des inférences de modèles de machine learning (ML) sur chaîne. En intégrant des capacités ML, les contrats intelligents peuvent devenir plus autonomes et dynamiques, capables de prendre des décisions selon des données en temps réel, y compris dans des scénarios imprévus. Des équipes comme Modulus Labs, Giza et Zama ouvrent la voie à des cas d’usage uniques en ZKML, offrant des synergies prometteuses à l’intersection de l’IA et de la crypto.
Réseaux
Certaines blockchains rencontrent des limitations pour traiter un volume élevé de transactions, entraînant des ralentissements et une hausse des coûts en période de forte demande. De plus, des blockchains populaires comme Bitcoin, Ethereum ou Solana reposent sur des grands livres publics, mais le manque de confidentialité suscite des inquiétudes chez les acteurs grand public quant à l’anonymat et la confidentialité totale des transactions. De nouveaux réseaux L1 et L2 émergent, adoptant des infrastructures ZK pour répondre aux problèmes d’évolutivité et de confidentialité sur chaîne.
L1 axés sur la confidentialité : des réseaux L1 émergents comme Aleo, Mina et IronFish offrent des contrats intelligents axés sur la confidentialité grâce aux ZKP, assurant une protection de la vie privée au niveau applicatif pour les dApps de leurs écosystèmes respectifs. Des réseaux comme Fhenix et Inco utilisent le chiffrement homomorphe complet (FHE), permettant aux développeurs d’écrire des contrats privés et d’effectuer des calculs sur des données chiffrées, assurant ainsi une anonymité et une confidentialité complètes. Étant donné que plusieurs de ces L1 sont encore en phase de testnet incitatif et exigent l’apprentissage de nouveaux langages, des signes d’adoption massive et de capture de valeur pourraient prendre 1 à 2 ans.
ZK-EVM : les ZK-EVM utilisent des preuves ZK pour cryptographiquement prouver l’exécution de transactions de type Ethereum. Différents types de ZK-EVM, comme zkSync Era, Polygon zkEVM, Linea, Scroll et Taiko, illustrent divers compromis entre compatibilité EVM et performance (notamment temps de génération de preuve). Cette zone continuera d’innover pour étendre Ethereum et les rollups ZK basés dessus.
ZK-Rollup : les rollups ZK sont des solutions d’évolutivité L2 qui déplacent les calculs hors chaîne et utilisent des preuves ZK pour prouver les changements d’état sur chaîne. Des rollups comme Aztec offrent un « moteur de confidentialité sur Ethereum », chiffrant les données transactionnelles tout en maintenant des coûts bas. Zeko est une pile ZK-rollup imminente basée sur Mina, permettant aux applications de se valider récursivement et de composer entre elles. ImmutableX et LayerN sont des rollups ZK spécifiques respectivement aux jeux et aux applications DeFi hautes performances. Bien que les rollups optimistes détiennent environ 90 % de la part de marché L2, la demande pour les rollups ZK devrait augmenter à mesure que la technologie sous-jacente deviendra plus accessible.
Applications
Au-dessus des couches infrastructure et réseau ZK, une vague d’applications finales émerge, exploitant les preuves ZK pour les paiements, l’authentification, les applications DeFi privées mais conformes, ainsi que des cas d’usage grand public.
Des équipes comme Elusiv offrent des interfaces conviviales pour des paiements privés et des transactions DeFi, masquant les adresses tout en intégrant des mécanismes de conformité pour décrypter les transactions d’acteurs illégaux identifiés. Pour l’authentification, zCloak, ZKPass et zkp-ID utilisent les ZKP pour permettre aux utilisateurs de prouver des données vérifiables à des tiers sans exposer leurs informations personnelles.
Des protocoles DeFi comme Lumina et Panther se concentrent sur la construction de bourses décentralisées privées mais conformes. Renegade combine le calcul multipartite (MPC) et la technologie ZK pour offrir des transactions en dark pool — un lieu de trading sur chaîne masquant le carnet d’ordres, permettant à de grandes institutions ou traders importants d’exécuter des ordres sans exposer leurs activités au marché.
Des applications grand public comme Sealcaster et Dark Forest utilisent les ZKP dans les domaines social et jeu pour masquer l’identité des utilisateurs et leurs stratégies, les rendant invisibles aux autres participants sur chaîne.
L’avenir des ZK
L’avenir des ZK repose sur des designs innovants qui priorisent la rapidité, réduisent les exigences matérielles, améliorent les outils de développement et soutiennent la génération décentralisée de preuves. Bien que les solutions d’extension optimistes et ZK soient toutes deux utilisées pour valider les transactions rollup, chacune présente des compromis distincts en matière de sécurité, latence et efficacité computationnelle. Nous observons une convergence progressive de ces deux piles technologiques à moyen et long terme, afin de s’adapter à un spectre varié d’applications sur chaîne. Enfin, la couche application ZK en est encore à ses balbutiements, mais avec la croissance de la demande des utilisateurs finaux pour la confidentialité sur les blockchains publiques, une expansion future est attendue. Par ailleurs, notons que la recherche ZK s’est principalement faite dans l’écosystème Ethereum. Toutefois, des concepts émergents comme le programme Token22 de Solana avec transferts confidentiels (fonctionnalité de confidentialité utilisant les ZKP pour chiffrer les soldes et montants de transfert de jetons SPL) montrent l’adaptabilité et le potentiel des ZKP au-delà d’un seul écosystème.
En conclusion, le potentiel transformateur des ZK se déploie progressivement, annonçant un avenir où les solutions blockchain seront nettement plus sûres, privées et évolutives.
Note : Les projets suivants investis par Coinbase Ventures figurent dans le paysage ci-dessus des preuves à connaissance nulle : Aleo, Anoma, Aztec, Consensys, Espresso, Elusiv, Mina, Polygon, Polymer Labs, Starkware, Sunscreen, zCloak, zkLink, zkSync
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