ZKApps 101：ZK 應用全景及當前發展現狀

作者：YIWEI

編譯：深潮TechFlow

摘要

• 當前的零知識 (ZK) 生態系統可以根據兩個主要標準進行分類：一是它是作為應用程序還是基礎設施運行，二是它是優先考慮隱私還是關注實用性和可擴展性。

• 在這些分類中，ZK 應用程序 (ZKApps) 是利用零知識證明來增強隱私和實用性的應用。ZKApps 可以在憑證、支付和生物醫學工程等方面改善我們的生活。

• 投資趨勢和鏈上數據表明，零知識證明 (ZKP) 的需求正在不斷增長，普通用戶端已經開始接受相關應用。

• 由於密碼證明系統和去中心化證明基礎設施的技術進步，ZKApps 變得更加實用和可行。這些發展降低了 ZKP 生成和驗證的門檻，使得更多人能夠使用 ZKApps。

1.引言

我們為什麼現在應該關注 ZKApps？

在區塊鏈和 Web3 行業中，圍繞零知識 (ZK) 技術的熱潮已經持續了數年，並延續至 2024 年下半年。正如 Vitalik Buterin 所言：“雖然還需要進一步的基礎設施開發和證明者優化，但 ZK 在 10 年內將成為明確的終局。” ZK 被行業內部人士視為解決區塊鏈三難問題的有前途的技術，該問題涉及在不犧牲安全性、可擴展性和去中心化的情況下進行平衡。

在這股熱潮的推動下，許多投資者，無論其技術專長如何，可能都聽說過 SNARKs、STARKs 和 KZG 等術語，這些都是技術複雜的領域，尤其是在以太坊社區中進行研究和開發。然而，從消費者的角度來看，一個基本問題不可避免地出現：“我知道 ZK 是一項令人印象深刻的技術，但我們何時能實際使用利用它的產品？而這項技術是否足夠成熟，可以替代現有的非 Web3 解決方案？”

幾年前，這個問題的答案可能是：“還不行，我們不知道。”正如 Vitalik 所提到的，實際運行基於 ZK 的應用程序 (ZKApps) 所需的基礎設施和密碼證明技術仍然不足，開發面臨挑戰。然而，截至 2024 年，儘管仍有很大的改進空間，但已經取得了顯著的技術進步，為 ZKApps 的商業化奠定了基礎。因此，我們現在需要將注意力轉向識別 ZK 技術真正需要的領域，並思考如何利用它來改善我們的生活質量。從投資者的角度來看，研究未來將被廣泛採用的 ZKApps 分類也可以帶來新的投資機會。

在 Presto Research 和 Ocular VC 的聯合 ZK 研究中，我們提供了 ZKApp 行業的概述和展望，利用市場趨勢分析和兩個研究小組的前沿技術洞察。在第二部分中，我們將介紹當前的 ZK 採用生態，並強調哪些 ZK 基礎設施和 ZKApps 正在獲得關注。第三部分聚焦於 ZKApps 的發展歷史，討論它們的必要性和實際利益。在第四部分中，我們將審視截至 2024 年 ZK 行業的投資趨勢和鏈上數據分析，解釋為什麼 ZKApps 有望成為下一個主要趨勢。最後，在第五部分中，我們將討論迄今為止在基礎設施方面進行的研發努力和技術成就，以使 ZKApps 實用化併成為主流趨勢。

2.當前 ZK 採用生態

當前的 ZK 採用生態可以根據多個標準進行分類，但在這裡我們根據以下標準進行廣泛分類：服務是作為基礎設施還是應用程序運行，以及它是優先考慮隱私還是實用性。

圖 1：當前 ZK 採用生態

來源：Ocular VC

2.1. ZK 基礎設施

類型 1：以隱私為重點的基礎設施

此類別中的服務主要旨在解決 ZK 系統中的隱私問題，因為許多 ZKP 提供者仍可能具備檢查交易的能力，存在敏感數據暴露的風險。換句話說，隱私洩露通常發生在客戶端向 ZKP 提供者提交交易以創建 ZK 證明的過程中。因此，這些以隱私為重點的基礎設施可以通過證明者層（在第 5.2 節中有更多解釋）和虛擬機 (VM) 組件來提供，以增強訪問控制並確保端到端數據隱私。代表性例子包括 Ingonyama、Succinct 和 Espresso。

類型 2：以實用性為重點的基礎設施

ZK 技術不僅有助於保護隱私，還能提升 ZKApps 的實用性。一個優秀的例子是 ZK L2（即 ZK-rollups）。眾所周知，在當前的 ZK L2 中，能夠保證端到端交易隱私的實例非常少。然而，像 Taiko、zkSync、Intmax 和 Zeko 這樣的 ZK L2 鏈利用 ZK 技術的簡潔性，通過將成千上萬筆交易的有效性整合為單個 ZK 證明並提交給 L1，從而顯著提升了區塊鏈的可擴展性。另一個以實用性為重點的用例是證明者層。證明者層是提供計算能力的實體，幫助設備性能較弱的用戶參與 ZKP 生成和驗證過程。目前，RiscZero、Cysic、Irreducible 和 Aligned Layer 等服務正在這一領域運營。

2.2. ZK 應用程序

類型 3：以隱私為重點的應用程序

以隱私為重點的應用程序通常是我們想到“ZK 應用程序”時首先浮現的用例。這類服務主要利用 ZK 技術的零知識特性，並優先考慮隱私。這一特性在處理敏感個人信息的領域廣泛應用，例如 KYC、驗證和憑證，以保護客戶的隱私。目前值得注意的項目包括 zkPass、Lumina、0xKYC 和 zkMe。這個領域也在擴展到安全錢包和電子郵件等方向，示例包括 ZKSafe 和 zkEmail。

類型 4：以實用性為重點的應用程序

以實用性為重點的應用程序主要在 ZK L2 之上運行。目前，去中心化金融 (DeFi) 相關的應用程序，如去中心化交易所 (DEX) 和借貸平臺主導了這一領域。儘管 ZK L2 不保證隱私，但這些應用利用 ZK L2 的實用性提供快速且低成本的交易處理，這在 DeFi 領域至關重要。目前正在運營的顯著應用程序包括 zkFinance、ZKX、zkEra Finance、zkLend 和 eZKalibur。

3.ZKApps：起源與演變

3.1. 現代 ZK 生態的道路

零知識證明 (ZKPs) 已成為區塊鏈行業的一項變革性技術，提供了隱私和可擴展性的革命性進展。ZKPs 起源於密碼學研究，已經從理論概念演變為實用的 ZK 應用程序 (ZKApps)，顯著塑造了去中心化金融 (DeFi)、網絡安全等領域的格局。

ZKP 的起源

ZKP 的概念最早由 Shafi Goldwasser、Silvio Micali 和 Charles Rackoff 於 1985 年提出。最初，這是一項密碼學的理論突破，展示了在不透露知識本身的情況下證明擁有某些知識的能力。ZKPs 在涉及密碼的認證系統中尤其有用，因為它們允許在不暴露密碼的情況下進行驗證。值得注意的是，像 Cloudflare 這樣的網絡基礎設施公司已經採用 ZKP 機制，利用供應商硬件進行安全的網絡驗證。

向區塊鏈技術的過渡

ZKP 與區塊鏈技術的集成標誌著其演變中的一個重要時刻。早期的採用者之一是 Zcash，它將 ZK 概念引入其支付系統，以確保端到端的交易隱私。ZKPs 允許在不透露發送者、接收者或交易金額的情況下驗證交易（即，發送者有足夠的幣且沒有雙重消費）。這個用例突顯了將 ZKPs 直接集成到區塊鏈平臺中的潛力，呈現出一種引人注目的應用。

隨著以太坊 L2 解決方案（如 zkSync 和 Starknet）的首次部署，ZKP 集成的擴展獲得了動力。這些平臺利用 ZKPs 作為擴展解決方案，以解決區塊鏈系統中常見的低 TPS 率瓶頸。在這些背景下，ZKPs 的成功實施激發了對開發更多實用應用的興趣，這些應用利用現有基礎設施，提升隱私和效率。

隨著基礎設施在近年來的鞏固和成熟，人們開始關注 ZKApps。我們將在接下來的部分討論 ZKApps 的細節和好處。

3.2. ZKApps 的定義和好處

正如第 2 節簡要介紹的，我們將 ZKApps 定義為利用 ZKPs 和 ZK 基礎設施生成交易的應用程序，其主要目標是 1) 保護用戶隱私和/或 2) 提高效率。

關注隱私方面的應用程序傾向於不在公共鏈上存儲其交易數據（例如 KYC 程序、基因檢測和機密個人數據），這呈現出引人注目的用例。利用 ZKPs，這些數據可以安全地存儲在本地數據庫中而不向公眾透露，但可以進行全球驗證（例如，證明 Alice 的血型是 B，證明 Bob 年齡超過 20 歲）。這種方法對於需要問責和透明度的隱私敏感應用特別有利。正在研究這一主題的項目包括 zkPass、nuAuth 和 BioSnark。

不丹是一個位於印度和中國之間的小亞洲國家，近年來該國已在全國範圍內利用 ZKPs 構建數字身份基礎設施。這種方法使政府能夠更輕鬆地管理數據，同時確保可以在不違反其他國家數據隱私法規的情況下進行跨境驗證。

有趣的是，這種 ZKP 的使用還可以進一步應用於信用貸款系統和身份驗證機制，促進國際合作和共享數字服務中的信任。例如，USDT 貸款可以利用 ZKPs 來保護和驗證鏈外信用。這種方法可以進一步促進在鏈上使用穩定幣發行無抵押貸款。ZKPs 的這些應用可能會徹底改變信用評估和貸款發放的方式，提高安全性和信任，同時擴大金融服務的獲取。

目前仍有一些尚待深入探索的領域，例如 GambleFi，這種方法在這些領域中可能尤其有益。ZKP 通過加密方式驗證結果和行為，而不暴露底層數據，從而實現公平且抗作弊的賭博。例如，可以創建投注池，用戶的貢獻和獎金保持匿名，但總池的大小和分配情況是可驗證的。這些優勢有望通過增強信任，提供更私密和可擴展的賭博體驗，吸引更多用戶參與 GambleFi。

當然，ZKP 的使用並不限於這些例子。除了上述用例，ZKP 還可以在社交媒體中引入，以保護內容創作者的匿名性，而不想分享其速通策略的頂級玩家也可能歡迎這一技術的採用。因此，正在進行的研究探索 ZKP 如何在我們日常生活的各個領域提供比現有方法更先進的服務，未來將繼續發現更多用例。

4.分析：為什麼 ZKApps 是下一個趨勢

在這一部分，我們將通過數據分析，探討 ZK 行業的主要趨勢為何正在從基礎設施轉向應用程序。在第 4.1 節中，我們將基於 2024 年的投資趨勢，分析為什麼 ZKApps 是下一個有前景的趨勢。而在第 4.2 節中，我們將使用鏈上數據作為證據，考察客戶對實際 ZKApps 的需求如何增加。

4.1. 投資趨勢

審視 ZK 行業的投資歷史可以發現，大部分重要投資都集中在 ZK 基礎設施（如 ZK L1/L2 和硬件加速）上，包括 zkSync、Starknet、Aleo 和 Cysics 等項目。對這一市場的累計投資已超過 10 億美元，許多項目正準備在未來幾個季度推出產品。這一趨勢延續至 2024 年，前 5 大 ZK 相關融資交易的強勁表現便是明證（見圖 2），其中四項交易的投資額超過了 1500 萬美元。值得注意的是，前 5 大交易中有四項與證明者層相關，而一項與 L2 解決方案相關。

那麼，為什麼證明者層會受到如此關注呢？正如第 3 節所提到的，證明者層是支持 ZKPs 需求增長的關鍵組成部分，使得設備性能較弱的用戶也能參與 ZKP 生成和驗證過程。對證明者層需求的增加表明 ZKPs 的需求顯著上升，說明越來越多的人希望通過使用 ZK L1/L2 來生成交易。

圖 2：2024 年 ZK 投資趨勢

來源：Cointelegraph, The Block, Ocular VC

對於 ZK L1/L2 鏈上交易需求增加，有兩種可能的解釋。第一種解釋是 ZKApps 的需求增長，導致更多交易提交到基礎 ZK 鏈。第二種解釋是，過去兩年 ZK L1/L2 的主網啟動導致 ZK 鏈上的轉賬量顯著增加，從而導致交易數量上升。不論哪種解釋成立，ZKApps 的前景依然樂觀。在前一種情況下，這意味著更多人希望使用 ZKApps；在後一種情況下，隨著越來越多的人使用基礎 ZK 鏈，生態系統和基礎設施的成熟，正在建立一個有利於開發 ZKApps 的環境。

4.2. 鏈上數據分析

現在，讓我們通過鏈上數據分析直接確認 ZKApps 需求的增加。數據顯示，在過去 1.5 年中，用於 ZKP 驗證過程的累計費用已超過 1.98 億美元，顯示出對 ZKPs 的需求相比於前幾年顯著增長。更重要的是，這一增長主要源於對 ZKApps 的需求。通過將 ZKP 驗證費用的使用分解為基礎設施和 ZKApps，我們發現 ZKApps 的份額從過去的 40% 上升至 2024 年的 70-80%。這些數據證明，近期對 ZKPs 的需求激增主要是來自 ZKApps。

圖 3：ZKPs 驗證費用動態

來源：dune.xyz@nebra, Ocular VC

5.技術進步使 ZKApps 成為現實

到目前為止，我們已經探討了 ZKApps 的定義，識別了值得關注的關鍵用例，並討論了 ZK 行業的主要趨勢為何正在從基礎設施轉向應用程序。這些 ZKApps 的可行性顯然依賴於技術進步，使其變得實際可行。我們之前提到，ZK 基礎設施已經成熟，能夠有效利用這些技術的 ZKApps 將在未來幾年成為區塊鏈/Web3 行業的主流。那麼，具體有哪些進展使這一切成為可能，還有哪些進展在路上呢？

5.1. ZK 證明系統

首先，我們需要討論 ZK 證明系統的進展。由於涉及的複雜性，對於沒有技術背景的人來說，哪些過程採用了何種密碼技術，以及這些技術的改進如何增強 ZK 證明系統，往往不易理解。因此，在本節中，我們將突出 ZK 證明系統中的顯著進展，並使用易於理解的比喻來說明這些變化。簡而言之，這些進展帶來了兩個主要好處：“支持功能的增加”和“計算過程的優化”。

支持更多功能：領域特定語言 (DSL)

ZK 證明系統中的領域特定語言 (DSL) 是專門設計用於處理 ZK 生態系統內特定任務的編程語言。這些語言通過提供針對 ZK 操作優化的定製語法和功能，極大豐富了 ZKP 的創建。目前，像 Leo、Zinc、Cairo、Noir 和 ZoKrates 等 DSL 正在研究和開發中，以支持更多功能，比如可變變量、條件語句和數組。

這就像 Bob 需要向 Alice 證明他用合法的食譜做了一個蛋糕，但又不想透露食譜本身。首先，Bob 需要準備他的食譜，這個食譜應包含製作蛋糕的所有高層步驟和所需成分（例如，先將材料混合成麵糊，然後進行烘烤）。如果 Bob 能在食譜中使用更多時尚的成分和烹飪技巧，那就更好了（見圖 4）！

圖 4：DSL 支持 ZKP 更多功能

來源：DALL E, Presto Research

優化計算過程：算術化、證明系統 (IOP+FCS)

在用 DSL 編寫程序後，它會經歷算術化和證明系統（包括交互式 Oracle 證明 (IOP) 和功能承諾方案 (FCS)）等過程，以轉換為 ZKPs。這些過程中的共同挑戰是最小化計算開銷，以使 ZKP 的生成和驗證過程對更多人可及。

在減少計算開銷的努力中，最直觀的方式是減少證明系統中的場大小。在這裡，場大小是指在 ZKP 生成過程中使用的數學場的大小。簡單來說，它表示可以用來創建秘密代碼的所有可能值的總數；較大的場大小使得猜測代碼變得更加困難，但生成所需的時間更長。像 Groth16、Plonk 和 Halo2 等著名的密碼證明系統，即使是對 ZKP 不熟悉的人也可能聽說過，通常使用 256 位的場大小。然而，隨著技術的進步，最近的證明系統如 Goldilocks 和 Plonky3 使用 31 到 64 位的場大小，而不犧牲安全性。最先進的證明系統 Binius 則通過僅使用 1 位（零和一）作為其場大小，顯著提高了計算速度。

5.2. 去中心化證明基礎設施

第二個值得討論的技術進步是去中心化證明基礎設施的發展。雖然 ZK 證明系統的進步通過減少計算量來優化和簡化證明生成與驗證過程，但去中心化證明基礎設施則允許個人將強大的計算能力外包，用於生成 ZKPs。

目前，在 ZK 行業中實施去中心化證明基礎設施主要有兩種方法。第一種方法是基於 ZK 的鏈構建自有的內部證明層，第二種方法則是運營一個外包的證明層，以處理來自不同鏈和應用程序的 ZKP 生成請求。

內部證明層

在內部證明層的模式中，ZKP 生成實體（即證明者）隸屬於特定的鏈。內部證明層的最大瓶頸在於引導過程：由於鏈開發者在經濟上難以為所有網絡用戶提供無縫的證明層，通常會部署協議，通過提供原生代幣作為獎勵，吸引具備計算能力的個人或團體參與證明層。

一個運營內部證明層的代表性項目是 Aleo，這是一個 ZK Layer 1 區塊鏈。與比特幣的工作量證明 (PoW) 類似，Aleo 要求證明者為每個區塊生成滿足特定閾值（即“證明目標”）的 ZKPs。如果累計證明的總和超過“Coinbase 目標”，則 coinbase 獎勵（Aleo 代幣）將根據證明者的貢獻按比例分配。這種礦工證明協議可以激勵更快的軟件和硬件開發，以支持 ZKPs，並通過廣泛分配證明者獎勵來實現證明生態系統的去中心化。

外包證明層

另一方面，外包證明層位於區塊鏈之外，根據來自各種基於 ZK 的鏈和 ZKApps 的請求提供計算能力。可以將其視為像 Celestia 這樣的模塊化區塊鏈，但具有 ZKP 生成的功能。這些外包證明層通常以“證明市場”的形式運營：客戶提交需要 ZKP 生成的交易，而證明者競標提供他們的證明服務，包括生成 ZKPs 的能力和成本。

目前運營外包證明層的代表性項目包括 =nil 和 Gevulot。=nil 為每個電路維護一個訂單簿，包含用戶的買單和證明者的賣單。生成證明的價格發現通過該訂單簿機制進行管理。Gevulot 採取權益證明 (PoS) 的方式運營：要求證明者存入抵押金並完成工作量證明任務才能加入。除了競標系統，證明生成工作還通過可驗證隨機函數 (VRF) 隨機分配，以確保公平性。

然而，外包證明層的方法也存在一個主要問題，即在提交給證明者時，證明請求中包含的交易數據是未封閉的，因此難以保持端到端隱私。為了解決這個問題，像 Marlin 和 zkPass 等項目利用安全隔離執行環境（保護數據完整性的環境）來確保在 ZKP 生成過程中沒有隱私洩露。

圖 5：去中心化證明基礎設施概述

來源：Presto Research

結論

到目前為止，我們已經考察了 ZK 行業的整體採用情況、ZKApps 可以帶來的好處、為什麼 ZK 行業的主要趨勢正在從基礎設施轉向 ZKApps 的證據，以及支持 ZKApps 崛起的技術進步。密碼證明系統和去中心化證明基礎設施的發展，為 ZKApps 更快速和經濟地使用鋪平了道路，使零知識技術更接近日常生活。

區塊鏈/Web3 行業常常因開發過度炒作的技術而受到批評，這些技術更多是為了吸引投資者，而很少考慮實際市場需求。為了克服這種批評，開發者必須以真正改善我們生活的方式推動技術進步；然而，對我們用戶來說，持續評估這項技術可以有效應用於哪些領域同樣重要。我們希望本文能為讀者提供對 ZKP 和 ZKApps 的廣泛理解，並激發更多的自主研究（DYOR）參與這個行業。

在即將到來的 Presto Research 與 Ocular VC 合作系列中，我們將回顧一系列前沿的 ZK 相關項目（即隱私卷積、客戶端證明、隱私保護證明層），這些項目將在我們在本文中提到的技術進步的基礎上推出。敬請關注！