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零知识证明:从入门到入土

常驻编辑 科普中国 2022-11-16 图灵机   哈密尔顿   多项式   随机数   知识   阿里巴巴   回路   入门   现实   协议   世界
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阿里巴巴和三染色

阿里巴巴和四十大盗在寻宝途中遇到了难题,他们需要完成一个地图三染色游戏才能获得宝藏,阿里巴巴知道地图如何三染色,四十大盗不知道,阿里巴巴该如何在不告诉四十大盗答案的情况下,向四十大盗证明自己知道地图三染色的方法呢?6HZ拜客生活常识网

聪明的阿里巴巴很快发现了证明方法:6HZ拜客生活常识网

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阿里巴巴先将红绿蓝随机分配三个数字,之后将数字写在纸片上,面朝下盖在地图上。阿里巴巴可以让四十大盗随机选择两个临近的区域进行检验(Verify),翻开盖着的纸片,查看纸片上的数字是否不同。然后阿里巴巴重新给红绿蓝分配三个数字,重复上述的步骤。最后,阿里巴巴可以向四十大盗证明,如果他不知道染色方案,那么每次都能满足四十大盗检验的概率无限趋向于0,这样阿里巴巴就在不告诉四十大盗地图如何染色的情况下,向四十大盗证明了自己知道染色方案。6HZ拜客生活常识网

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有的地图是可以三染色的,例如左图;而有的地图无法进行三染色,例如右图。三染色是NPC(NP Complete)问题,NPC问题在多项式时间内可以检验,但不能在多项式时间内求解,并且所有的NP问题都能在多项式时间内规约到NPC问题,NPC问题在zk中起到了重要作用。6HZ拜客生活常识网

阿里巴巴和哈密尔顿回路

这个是瞎编的……但下文确实会出现哈密尔顿回路的故事,寻找哈密尔顿回路也是一个NPC问题(跟三染色一样)。6HZ拜客生活常识网

什么是知识

Goldwasser等人在1985年zk的开创性论文「The knowledge complexity of interactive proof-systems」中对「知识」的定义是「the output of an unfeasible computation」,从中可以提取到两个关键词「output」和「unfeasible computation」。6HZ拜客生活常识网

  • 首先,「知识」必须是一个「输出」,不能将我们藏在心里的「信息」称作「知识」;
  • 其次,「知识」必须是关于「unfeasible computation」的,否则验证者(Verifier)根本不需要阅读证明者(Prover)的「输出」,如「1+1=2」这种常识,不能说验证者看到证明者输出「1+1=2」,验证者就获得了「知识」,因为即使验证者不看到输出,也能够自行算出「1+1=2」。

什么问题算是「unfeasible」呢?在zk中,一般说NP问题是「unfeasible」。6HZ拜客生活常识网

图灵机

在解释P和NP前,需要先说明「图灵机」。计算机的先驱图灵构想了一种「单带图灵机」,这种机器只执行两种操作:6HZ拜客生活常识网

  • 在一条纸带上写上或擦除某个符号;
  • 将读取位置,从纸带的一处移动到另一处。

基于这个思想发展出来的机器,被称作图灵机,也称「确定性图灵机」,例如我们日常生活使用的个人电脑;而「不确定性图灵机」在现实并不存在,这是一种理想的产物,为了帮助我们理解NP问题,「不确定性图灵机」在遇到「if - else」等分支语句时,能够同时计算所有的分支。6HZ拜客生活常识网

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P&NP

如上图所示,「NP问题」,是确定性图灵机在多项式时间内可以验证的问题,也是不确定性图灵机在多项式时间内可以求解的问题(但这种机器并不存在),例如在上文提到的「阿里巴巴和三染色」中,给定一种涂色方案,确定性图灵机(四十大盗)能够较快地完成验证;而「P问题」是在多项式时间内可以求解的问题。显然「P属于NP」,因为能在多项式时间内求解,一定能在多项式时间内验证,但「P是否等于NP」,依然是一个谜,不过目前大多数科学家选择信仰「P不等于NP」。6HZ拜客生活常识网

观察上图,能帮助理解「知识」的含义,当验证者面对「NP」问题时,如果没有看到「蓝色计算路径」,那么它无法在多项式时间内求解这个问题(因为现实的图灵机是确定性图灵机);而一旦验证者看到了「蓝色计算路径」,那么它能很快地进行验证,这个「蓝色计算路径」就是「知识」。zk在证明过程中,不能透露关于「蓝色计算路径」的信息,因为一旦验证者看到了「蓝色计算路径」,它就同样能展示给别人看,以此冒充原本的证明者。

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