前言

零知識(shí)證明和Web 3的未來

什么是零知識(shí)證明？

零知識(shí)證明的英文是Zero-Knowledge Proof，是指證明者能夠在不向驗(yàn)證者提供任何有用信息的情況下，使驗(yàn)證者相信某個(gè)論斷是正確的。從這個(gè)描述，我們就可以大體想象得出，零知識(shí)證明對(duì)我們的生活有多么重要！

1.零知識(shí)證明帶來了新的信任建立方式

信任是人類社會(huì)得以建立和發(fā)展最重要的基礎(chǔ)之一，如果沒有信任，人類社會(huì)將不復(fù)存在。那么如何建立信任呢？

從古至今，人類可能一共只有4種信任建立的方式。

第一種是建立在熟人之間長期反復(fù)博弈基礎(chǔ)上的信任。經(jīng)過長期交往，我們可以得出一些結(jié)論，比如張三可信，李四不可信，王五在一些方面可信，但在另一些方面就不一定可信等。這種信任，一方面與某個(gè)人的能力大小有關(guān)，另一方面也是此人的一種相對(duì)的天然屬性。這種信任是民間社會(huì)得以建立和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，民間交往、借貸等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也都建立在這樣的信任之上。

如果我們把這種信任做進(jìn)一步擴(kuò)展，由個(gè)人擴(kuò)展到組織，就形成了評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)信用評(píng)級(jí)的評(píng)價(jià)對(duì)象，這也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)中信用貸開展的前提和基礎(chǔ)。如果擴(kuò)展到國家，這種信任就是一個(gè)國家的主權(quán)信用評(píng)級(jí)。在信用評(píng)級(jí)領(lǐng)域，這種信任更多的是評(píng)價(jià)對(duì)象是否有能力償還貸款，而不一定與其本來的屬性有關(guān)。

第二種是建立在中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)做信任背書基礎(chǔ)上的信任。比如我們都會(huì)相信政府機(jī)構(gòu)會(huì)秉公辦事，我們也會(huì)相信中央銀行發(fā)行的貨幣可以作為通貨來使用。然而，有時(shí)我們也不得不相信某些機(jī)構(gòu)和組織不會(huì)騙我們，但同時(shí)我們?cè)趦?nèi)心深處又充滿了對(duì)它們的不信任。

第三種是區(qū)塊鏈帶來的去中心化信任。區(qū)塊鏈帶來的去中心化信任不同于熟人建立在長期反復(fù)博弈基礎(chǔ)上的信任，也不同于由中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)做信任背書建立起來的信任。在通過各種去中心化金融基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用DeFi實(shí)施交易時(shí)，我們并不知道和我們交易的人是誰，這個(gè)人是否可信就更無從談起了，這種交易也沒有一個(gè)權(quán)威可信的第三方為交易雙方做信任背書，我們相信的是區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制和DeFi這種去中心化金融交易應(yīng)用的強(qiáng)制執(zhí)行力。

區(qū)塊鏈帶來的這種信任，在某種程度上與由中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)做信任背書形成的信任有相似之處。比如在上海證券交易所交易股票，我們同樣不知道與我們交易的對(duì)方是誰，也不知道這個(gè)人是否可信，我們相信的是上海證券交易所建立的一整套保障機(jī)制。如果真的在交易過程中出現(xiàn)問題，我們相信上海證券交易所會(huì)幫我們處理。這種信任是建立在由一個(gè)中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)做信任背書的基礎(chǔ)上的，而區(qū)塊鏈帶來的信任，一是建立在由所有人認(rèn)同且由所有人努力保障的共識(shí)機(jī)制之上的信任，二是對(duì)各種去中心化智能合約的強(qiáng)制執(zhí)行力的信任。這種信任不依賴任何一個(gè)中心化機(jī)構(gòu)，是一種對(duì)去中心化體系的信任。

零知識(shí)證明則帶來了第四種信任，即建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的信任。這種建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的信任，不看交易雙方之前是否認(rèn)識(shí)，更不關(guān)心對(duì)方是否可信，這種信任也不需要任何機(jī)構(gòu)做信任背書，甚至不需要建立在任何強(qiáng)大的共識(shí)機(jī)制上。如果非要說有共識(shí)，那么這種共識(shí)就是數(shù)學(xué)證明。只要交易雙方都相信數(shù)學(xué)，這種信任就可以得到證明，信任關(guān)系就可以建立起來。

2.去中心化應(yīng)用帶來了數(shù)字世界中新的業(yè)務(wù)組織方式

人類從古至今幾乎所有生產(chǎn)生活的組織方式，都是介于中心化和去中心化之間的，是不同程度的中心化和去中心化的組合。人類社會(huì)也可以說從來不存在百分之百的中心化，也不存在百分之百的去中心化。但在信息技術(shù)出現(xiàn)后，建立在信息技術(shù)能力的不對(duì)稱基礎(chǔ)上，基于業(yè)務(wù)組織管理需要，在原本去中心化的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議基礎(chǔ)上，建立了中心化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)組織管理載體——萬維網(wǎng)，即World Wide Web。建立在萬維網(wǎng)基礎(chǔ)上的各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)，幾乎都是中心化的系統(tǒng)。無論是以前的信息互聯(lián)網(wǎng)、當(dāng)前比較成熟的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)，還是正在實(shí)施中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都是中心化的系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈則在數(shù)字世界中為去中心化的業(yè)務(wù)組織管理方式提供了基礎(chǔ)設(shè)施。在區(qū)塊鏈之上，近幾年迅速出現(xiàn)了去中心化金融DeFi、非同質(zhì)化代幣NFT、鏈游GameFi，以及去中心化社交網(wǎng)絡(luò)SocialFi等種類繁雜、數(shù)量眾多的去中心化應(yīng)用。雖然這些建立在區(qū)塊鏈上的去中心化應(yīng)用目前主要聚焦在虛擬數(shù)字貨幣相關(guān)領(lǐng)域，大多是由投機(jī)力量和創(chuàng)新力量綜合驅(qū)動(dòng)的，應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用范圍也還比較有限，但其發(fā)展前景不容小覷。區(qū)塊鏈這種基礎(chǔ)設(shè)施建立以后，這些去中心化應(yīng)用一旦與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合并得到廣泛應(yīng)用，就將在極深的層次上改變當(dāng)前人類社會(huì)的生產(chǎn)生活組織方式，在總體上帶來效率的極大提升，并帶來交易成本的極大下降。

3.Web 3的概念界定及其發(fā)展困境

基于用戶對(duì)數(shù)據(jù)可實(shí)施的操作，人們把互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展劃分為Web 1.0、Web 2.0和Web 3.0這3個(gè)階段。Web 1.0是指用戶僅能讀取數(shù)據(jù)，其典型代表就是20世紀(jì)末的信息門戶網(wǎng)站。信息門戶網(wǎng)站把相關(guān)信息數(shù)字化后呈現(xiàn)給用戶，用戶僅能閱讀，沒有辦法上傳或?qū)懭霐?shù)據(jù)。以BBS為開端的互聯(lián)網(wǎng)被稱為Web 2.0，在這個(gè)階段，用戶不僅可以從網(wǎng)絡(luò)上讀取數(shù)據(jù)，而且可以自行寫入數(shù)據(jù)。

Web 1.0和Web 2.0階段的互聯(lián)網(wǎng)大多以平臺(tái)為運(yùn)營主體。雖然用戶可以讀或?qū)憯?shù)據(jù)，但用戶并不擁有數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)是用戶自己上傳并寫入的，數(shù)據(jù)的所有權(quán)歸平臺(tái)所有。平臺(tái)利用這些數(shù)據(jù)賺取了超額利潤，但這些超額利潤沒有分配給貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的用戶。于是，在區(qū)塊鏈去中心化的背景下，業(yè)界很多人提出了Web 3.0的概念。Web 3.0 試圖通過區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可讀、可寫和可擁有。

在編者看來，Web 3.0 的愿景在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。一是數(shù)據(jù)的載體非常廣泛，其邊際復(fù)制成本又幾乎為零，這讓我們難以將數(shù)據(jù)局限在一個(gè)固定的范圍內(nèi)；二是數(shù)據(jù)的復(fù)制在某種程度上也是難以追蹤的，這讓確保數(shù)據(jù)可擁有變得難以實(shí)現(xiàn)。

此外，即使通過區(qū)塊鏈，也同樣難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可擁有。區(qū)塊鏈全節(jié)點(diǎn)賬本數(shù)據(jù)同步的技術(shù)特性，決定了區(qū)塊鏈上難以承載大規(guī)模數(shù)據(jù)。Web 2.0 時(shí)代，平臺(tái)利用數(shù)據(jù)賺取超額利潤的數(shù)據(jù)就是大數(shù)據(jù)，而不是小數(shù)據(jù)或關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這就使得傳統(tǒng)的在Web 2.0時(shí)代產(chǎn)生的數(shù)據(jù)所有權(quán)的問題，在區(qū)塊鏈或Web 3.0的環(huán)境中也同樣難以解決。

當(dāng)然，數(shù)據(jù)可讀、可寫、可擁有，確實(shí)在區(qū)塊鏈或Web 3.0 的環(huán)境下有實(shí)現(xiàn)特例。這種特例就是我們平常所說的各種虛擬數(shù)字貨幣，如“同質(zhì)化代幣”FT、“非同質(zhì)化代幣”NFT，還有未來的分布式身份得以建立的“靈魂綁定通證”SBT，以及介于各種同質(zhì)化代幣FT和非同質(zhì)代幣NFT之間的“半勻質(zhì)化代幣”SFT。這類內(nèi)容盡管是數(shù)據(jù)，但又不是我們通常意義上的數(shù)據(jù)，更不是我們目前所講的作為生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)。

同質(zhì)化代幣FT、非同質(zhì)化代幣NFT、靈魂綁定通證SBT、半勻質(zhì)化代幣SFT等之所以能在區(qū)塊鏈及Web 3.0基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可讀、可寫、可擁有，是因?yàn)槲覀儗?duì)其認(rèn)定和使用做了極其嚴(yán)格的界定。同質(zhì)化代幣FT、非同質(zhì)化代幣NFT、半勻質(zhì)化代幣SFT被我們定位為數(shù)字資產(chǎn)，靈魂綁定通證SBT被我們定位為身份證明，而這些內(nèi)容只有在共識(shí)機(jī)制作用下，才會(huì)在其所關(guān)聯(lián)的鏈上或應(yīng)用中被認(rèn)定為有效，一旦跨出了特定區(qū)域和環(huán)境，承載這些內(nèi)容的數(shù)據(jù)就是“垃圾”。這也是區(qū)塊鏈領(lǐng)域經(jīng)常講的主權(quán)區(qū)域。

拋開前文提到的人們對(duì)Web 3.0的各種預(yù)期和設(shè)想，從現(xiàn)實(shí)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和可能性角度，編者將Web 3定義為建立在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上的各種去中心化基礎(chǔ)設(shè)施和去中心化應(yīng)用。在這個(gè)定義之下，Web 3就包括了Web 3.0。Web 3.0則被定義為建立在單條區(qū)塊鏈之上的去中心化基礎(chǔ)設(shè)施和去中心化應(yīng)用。Web 3.0的典型代表就是建立在以太坊之上的以太坊生態(tài)，該生態(tài)是將以太坊區(qū)塊鏈作為基礎(chǔ)，加上以太坊之上的二層網(wǎng)絡(luò)甚至三層網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，以及構(gòu)建在以太坊、以太坊的二層網(wǎng)絡(luò)及三層網(wǎng)絡(luò)之上的各種去中心化應(yīng)用的集合。

無論是現(xiàn)在，還是未來，以太坊雖然有可能一家獨(dú)大，但世界上絕不可能只有一條以太坊區(qū)塊鏈。于是，就有了鏈與鏈之間的跨鏈需求和跨鏈應(yīng)用。Web 3的下一步發(fā)展則是基于去中心化實(shí)現(xiàn)鏈與鏈之間的連通。目前的跨鏈大多還是一個(gè)連接不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的單獨(dú)應(yīng)用，這些應(yīng)用所實(shí)現(xiàn)的功能也幾乎都是對(duì)源鏈共識(shí)結(jié)果在目標(biāo)鏈上的擴(kuò)展。說得直白一些，目前的跨鏈基本上都是用一套機(jī)制認(rèn)可了源鏈上的一個(gè)共識(shí)結(jié)果，并將其鎖定后在目標(biāo)鏈上再生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的結(jié)果。該結(jié)果在跨鏈機(jī)制和目標(biāo)鏈的共同認(rèn)可下，成為目標(biāo)鏈上的一個(gè)新的共識(shí)結(jié)果。這種跨鏈無論從安全性，還是功能上都還非常簡陋。未來，除了對(duì)這種共識(shí)結(jié)果的跨鏈，還必然會(huì)實(shí)現(xiàn)共識(shí)過程甚至共識(shí)機(jī)制本身的跨鏈。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，目前構(gòu)建在單一區(qū)塊鏈上的各種DApp（Decentralized Application，去中心化應(yīng)用），未來也一定會(huì)原生地構(gòu)建在多條區(qū)塊鏈上。這種原生多鏈DApp不僅能夠集成目前的跨鏈機(jī)制所實(shí)現(xiàn)的對(duì)不同鏈上共識(shí)結(jié)果的跨鏈，而且能直接完成對(duì)不同鏈上共識(shí)過程甚至共識(shí)機(jī)制的跨鏈。就像我們現(xiàn)在編寫代碼，直接通過網(wǎng)絡(luò)編程，甚至直接進(jìn)行云原生編程，而不像20年前，連最基本的用于節(jié)點(diǎn)通信的socket函數(shù)都要自己來實(shí)現(xiàn)。

編者將這種原生地構(gòu)建在多條區(qū)塊鏈上的DApp命名為原生多鏈DApp，將大多數(shù)區(qū)塊鏈、基于去中心化機(jī)制實(shí)現(xiàn)的多條區(qū)塊鏈間的原生跨鏈，以及不同鏈上的去中心化擴(kuò)展和原生多鏈DApp命名為Web 3.1。將來也許還會(huì)有Web 3.2、Web 3.3，甚至Web 3.9，未來對(duì)于去中心化領(lǐng)域的發(fā)展，我們只能拭目以待了。

目前Web 3的發(fā)展面臨著用戶隱私保護(hù)不足、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、信任受共識(shí)機(jī)制的主權(quán)區(qū)域限制、Web 3與非Web 3難以可靠可信連通等種種問題。因此，在確保鏈上數(shù)據(jù)公開、透明、不可篡改的同時(shí)，如何保護(hù)用戶隱私、不同的擴(kuò)展方案如何可信地傳遞數(shù)據(jù)、不同共識(shí)機(jī)制所形成的主權(quán)區(qū)域如何可信地?cái)U(kuò)展和傳遞共識(shí)，以及Web 3系統(tǒng)如何與非Web 3系統(tǒng)可信地交換數(shù)據(jù)和信用，都是Web 3發(fā)展必須面對(duì)和亟待解決的問題。

4.零知識(shí)證明為Web 3和元宇宙的發(fā)展提供了新的可能

針對(duì)Web 3發(fā)展面臨的問題，業(yè)界雖然提出了多種方案，但這些方案大都存在比較嚴(yán)重的缺陷，如大多數(shù)方案都需要引入一個(gè)中心化或去中心化的第三方，這無疑帶來了更大的信任問題。零知識(shí)證明為解決Web 3發(fā)展面臨的問題帶來了新的思路，零知識(shí)證明的一些解決方案也在Web 3相關(guān)領(lǐng)域有了比較成功的實(shí)踐。

如果說區(qū)塊鏈在去中心化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了去身份信任，那么零知識(shí)證明就直接實(shí)現(xiàn)了去信任。證明者生成的零知識(shí)證明只要能通過驗(yàn)證，我們就基本可以確定被零知識(shí)證明驗(yàn)證過的事件是可信的。零知識(shí)證明并不是嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，而是概率證明。雖然從理論上講，證明者有可能成功欺騙驗(yàn)證者，使得驗(yàn)證者相信證明者擁有或具備某種知識(shí)，但如果經(jīng)過多次零知識(shí)證明驗(yàn)證，證明者仍然能夠成功欺騙驗(yàn)證者的概率將會(huì)越來越低，以至不可能。

零知識(shí)證明盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但很難直接使用。零知識(shí)證明和其他隱私計(jì)算方案一樣，都需要進(jìn)行構(gòu)造。如何構(gòu)造零知識(shí)證明，使其既與當(dāng)前的計(jì)算問題相匹配，具有一定的通用性，又不消耗過多的計(jì)算資源，還要確保有效性，是零知識(shí)證明被廣泛應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn)。

前文說過，Web 3的發(fā)展是投機(jī)力量和創(chuàng)新力量綜合驅(qū)動(dòng)的。在Web 3幾乎全面開源的背景下，在各種投機(jī)力量和創(chuàng)新力量的驅(qū)動(dòng)下，零知識(shí)證明在Web 3領(lǐng)域的發(fā)展速度遠(yuǎn)快于Web 2。零知識(shí)證明當(dāng)前階段最多的應(yīng)用創(chuàng)新還是在Web 3領(lǐng)域的創(chuàng)新，因此我們也把關(guān)注點(diǎn)更多地投向了Web 3領(lǐng)域。

我們也需要對(duì)零知識(shí)證明在其他非Web 3領(lǐng)域的應(yīng)用保持高度關(guān)注。因?yàn)樵诰幷呖磥?，Web 2與Web 3是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和業(yè)務(wù)組織的兩個(gè)不同方向，Web 3不是對(duì)Web 2 的替代，兩者分別對(duì)應(yīng)了人類社會(huì)中業(yè)務(wù)的兩種不同的組織方式。Web 2采用了中心化的業(yè)務(wù)組織方式，保持了中心化一貫的效率高的優(yōu)點(diǎn)，但存在一定的信任成本；Web 3則采用了去中心化的業(yè)務(wù)組織方式，信任基礎(chǔ)強(qiáng)，但在單點(diǎn)上效率低。2022年6月11日，推特創(chuàng)始人Jack Dorsey 在Consensus大會(huì)上宣布將構(gòu)建Web 5去中心化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，直接取代目前Web 2和Web 3的概念，因此也被稱為“Web 2+ Web 3= Web 5”。編者對(duì)此是比較認(rèn)可的，即未來的元宇宙或第三代互聯(lián)網(wǎng)，一定是兼容Web 2 與Web 3的，同時(shí)，Web 2 與Web 3也一定是要有交互的。那么，如何在兩套不同的共識(shí)和機(jī)制之間實(shí)現(xiàn)可信連接呢？

至少目前來看，零知識(shí)證明是一套可行的方案。因此，我們也可以預(yù)期，零知識(shí)證明在推動(dòng)Web 3繼續(xù)發(fā)展的同時(shí)，也將深度推動(dòng)Web 2 和Web 3的融合，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)元宇宙的發(fā)展。

5.關(guān)于本書

基于當(dāng)前Web 3世界的快速發(fā)展，零知識(shí)證明在落地應(yīng)用方面取得的快速進(jìn)展及其在Web 3中應(yīng)用的迅速推廣和普及，以及零知識(shí)證明和Web 3未來廣闊的發(fā)展前景，編者從技術(shù)原理和相關(guān)具體工程實(shí)現(xiàn)的角度編寫了《Web 3中的零知識(shí)證明》一書。本書定位為科普讀物，面向的讀者包括但不限于Web 3領(lǐng)域的從業(yè)者、對(duì)零知識(shí)證明感興趣的學(xué)生及業(yè)內(nèi)人士。

本書第1章從總體上回顧了Web 3的發(fā)展，以及當(dāng)前的表現(xiàn)形態(tài)，第2章和第3章從最簡潔的數(shù)學(xué)層面向讀者介紹了零知識(shí)證明是什么，以及如何構(gòu)建零知識(shí)證明。第4章從技術(shù)層面介紹了Web 3世界中零知識(shí)證明的主流實(shí)現(xiàn)方案，第5章從應(yīng)用層面介紹了零知識(shí)證明在Web 3世界中的一些典型應(yīng)用，第6章介紹了零知識(shí)證明在其他領(lǐng)域的應(yīng)用及展望。

雖然在第3章和第4章，為了說明零知識(shí)證明系統(tǒng)是如何構(gòu)建的，編者不得不引入一些數(shù)學(xué)知識(shí)，但這些數(shù)學(xué)知識(shí)也是零知識(shí)證明最基本的內(nèi)容，只要讀者靜下心來學(xué)習(xí)，必要時(shí)再借助一些其他渠道的資源，就還是能夠掌握的。當(dāng)然，如果覺得第3章和第4章關(guān)于數(shù)學(xué)知識(shí)的部分有難度，也完全可以跳過，更多關(guān)注零知識(shí)證明在Web 3及Web 3領(lǐng)域之外的一些應(yīng)用。當(dāng)然，這些應(yīng)用都是目前市面上真實(shí)存在且正在發(fā)生的項(xiàng)目。隨著更多應(yīng)用的發(fā)展和人類數(shù)字化進(jìn)程的進(jìn)一步深化，零知識(shí)證明的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣，人類對(duì)零知識(shí)證明的需求也會(huì)越來越多，零知識(shí)證明將發(fā)揮更多、更大的作用。

為簡潔起見，除非特殊標(biāo)明，本書不再區(qū)分Web 3和Web 3.0，盡管對(duì)這兩者如何界定都快成為業(yè)界“公案”了，本書也不再區(qū)分Web 2和Web 2.0，一律以Web 3和Web 2統(tǒng)一指代。

此外，由于零知識(shí)證明和Web 3 都處于行業(yè)發(fā)展初期，絕大多數(shù)項(xiàng)目也是“草根”創(chuàng)業(yè)類項(xiàng)目，這個(gè)領(lǐng)域又秉持去中心化的原教旨理念，缺少行業(yè)協(xié)會(huì)等相關(guān)組織的規(guī)范，因此很多表述相當(dāng)不規(guī)范，包括英文縮寫中的大小寫、連字符“-”的使用等。即使同一個(gè)詞語，不同公司和項(xiàng)目也有不同的表達(dá)，甚至同一個(gè)公司和項(xiàng)目對(duì)同一個(gè)詞語在不同地方也會(huì)有不同的表述。本書在不改變?cè)许?xiàng)目和應(yīng)用表述的情況下，已經(jīng)盡可能讓其保持一致，但限于本書的規(guī)模以及包括的項(xiàng)目數(shù)量眾多，還是難以完全統(tǒng)一。特此說明。

高承實(shí)

2023年12月