SNARKs vs. STARKS vs. SNARKs Recursivos

Las pruebas de conocimiento cero son mecanismos que permiten a una parte revelar el conocimiento de una información a otra parte sin revelar la información en sí. También llamadas pruebas de validez, las pruebas ZK se usaron originalmente para ocultar detalles de transacciones en blockchains enfocadas en privacidad.

Pero las pruebas ZK también tienen otro caso de uso interesante: escalar blockchains de propósito general. Con las pruebas de validez, los nodos de blockchain pueden verificar transacciones sin almacenar los detalles ni volver a ejecutar el cómputo. Esto reduce los tiempos de confirmación y aumenta el throughput de la red.

Debido a sus beneficios de escalabilidad, las pruebas ZK se han convertido en una infraestructura central para proyectos de escalado de blockchain, especialmente para los zero-knowledge rollups. En esta guía cubrimos las principales clasificaciones de pruebas ZK usadas en blockchains: ZK-SNARKs, ZK-STARKs y ZK-SNARKs recursivos.

¿Qué es un ZK-SNARK?

ZK-SNARK es un protocolo para generar pruebas de conocimiento cero que verifican la autenticidad de una información sin exponer los datos subyacentes. El acrónimo significa Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge.

Un protocolo ZK-SNARK involucra a dos partes: el prover (Alice) y el verifier (Bob). El prover (Alice) es la parte que hace una afirmación, mientras que el verifier (Bob) es la parte responsable de verificar esa afirmación.

La información referenciada en la afirmación se llama witness o secreto. Un prover (Alice) usa el mecanismo ZK-SNARK para producir una prueba que le muestra al verifier (Bob) que la afirmación es verdadera... sin revelar la información referenciada.

Un ejemplo hipotético que involucra ZK-SNARKs es la autenticación de identidades de usuario. Una persona podría demostrar una afirmación ("Soy ciudadano de EE. UU.") sin revelar información personal (por ejemplo, un pasaporte o un número de seguro social).

Los ZK-SNARKs se llaman así porque poseen las siguientes cualidades:

1. Zero-knowledge (conocimiento cero): significa que el verifier no sabe nada sobre una afirmación excepto si es válida o falsa.

2. Succinct (sucinta): la prueba es lo suficientemente pequeña como para que el verifier la verifique en un tiempo corto.

3. Non-interactive (no interactiva): los SNARKs son no interactivos porque provers y verifiers no necesitan intercambiar información más allá de la prueba inicial enviada. Los primeros sistemas de prueba de conocimiento cero requerían que provers y verifiers intercambiaran múltiples mensajes para verificar afirmaciones.

4. Argument (argumento): un SNARK es una afirmación "computacionalmente sólida" que satisface requisitos rigurosos, lo que dificulta hacer trampa (es decir, generar pruebas falsas).

5. Knowledge (conocimiento): las pruebas basadas en SNARK no se pueden crear sin acceso a la información subyacente o el witness.

ZK-SNARKs en blockchains

Los sistemas de cómputo distribuido, como las blockchains públicas, necesitan resolver el llamado "problema de integridad computacional". La integridad computacional (CI) se refiere a la corrección del resultado obtenido de un cómputo específico.

En las blockchains públicas, la integridad computacional se refiere a la corrección de las transacciones ejecutadas en una red. La mayoría de las blockchains la logran haciendo que otras computadoras (nodos) vuelvan a ejecutar cada transacción.

Sin embargo, este enfoque tiene problemas. Forzar a cada nodo a repetir cada transacción ralentiza la red y limita la escalabilidad. Los nodos también deben almacenar los datos de las transacciones (de lo contrario no pueden repetir los cómputos), lo que provoca aumentos exponenciales en el tamaño de la blockchain.

Pero ¿qué pasaría si los nodos pudieran verificar la validez de un cómputo sin volver a ejecutarlo? Esto mejoraría el throughput de la red y eliminaría la necesidad de que los nodos almacenen datos de transacciones en exceso.

Aquí entran los ZK-SNARKs.

Las pruebas de validez generadas con ZK-SNARK pueden demostrar la validez de una transacción sin revelar los inputs. Por eso las criptomonedas enfocadas en privacidad, como Zcash y Monero, usan SNARKs para ofuscar información sobre las transacciones.

Un SNARK también puede demostrar la corrección de un cómputo realizado off-chain sin que los nodos repitan cada paso del cómputo. Aquí es donde el ZK-SNARK se vuelve útil para escalar blockchains.

Verificar cómputos off-chain con SNARKs es un proceso complejo que comienza codificando el cómputo en una expresión matemática. Esta afirmación matemática forma la base de la prueba de validez.

El verifier luego realiza una operación sobre la prueba para verificar su corrección. Si la prueba pasa todas las verificaciones, se considera que el cómputo subyacente es válido. Por eso los SNARKs son sucintos: el tamaño de una prueba de validez es muchas veces menor que el del cómputo que verifica.

ZK-SNARKs y ZK rollups

Un rollup es una solución de escalado de Layer 2 para Ethereum que mejora el throughput en la blockchain Layer 1 (L1) mediante la ejecución off-chain. Los rollups procesan transacciones en una chain L2, agregan múltiples transacciones off-chain en bloques y las envían a la chain L1.

Al mover el cómputo fuera de la capa base, los rollups reducen la congestión de la red y escalan las transacciones.

Sin embargo, la chain L1 necesita saber si las transacciones ejecutadas off-chain son válidas o no (es decir, el problema de integridad computacional). De lo contrario, un actor malicioso podría secuestrar el rollup y enviar transacciones inválidas a la chain principal.

Un tipo de rollup (zero-knowledge rollup) usa ZK-SNARKs para demostrar la autenticidad de las transacciones off-chain ante la chain L1. Cualquiera puede verificar las pruebas SNARK, lo que le da a la chain L1 garantías sobre la validez de las transacciones.

La mayoría de los ZK rollups que usan ZK-SNARKs siguen la misma estructura:

1. Los usuarios en la chain L2 firman transacciones y las envían a los validators.

2. Los validators comprimen las transacciones en un bloque y generan la prueba de validez correspondiente (SNARK). Esto proporciona garantías criptográficas de que el nuevo estado resultó de la adición de transacciones válidas.

3. Un smart contract en la chain L1 realiza una operación sobre la prueba de validez. Los resultados de esta operación determinan si las transacciones agrupadas se validan y se publican en la chain principal.

¿Cuáles son los beneficios de los ZK-SNARKs?

Hay tres beneficios principales al usar ZK-SNARKs: alto throughput, tamaños de prueba de validez pequeños, y seguridad.

1. Alto throughput

Los ZK-SNARKs escalan el throughput al reducir el cómputo en la capa base de Ethereum. Con ZK-SNARKs, los rollups pueden aumentar las tasas de TPS hasta miles.

Un ZK-SNARK suele ser muchas veces más pequeño que los datos de transacciones que verifica. Esto reduce la congestión en las blockchains base y permite gas fees más baratas y transacciones más rápidas.

2. Tamaños de prueba pequeños

El pequeño tamaño de las pruebas SNARK facilita su verificación en la chain principal. En Ethereum, esto significa gas fees más bajas para verificar transacciones off-chain, reduciendo los costos de los rollups para los usuarios finales.

3. Seguridad

Los ZK rollups se consideran más seguros que otros proyectos de escalado, principalmente por los mecanismos de seguridad criptográfica de vanguardia usados en los ZK-SNARKs.

La prueba ZK-SNARK es computacionalmente sólida, lo que dificulta engañar a los verifiers y actuar de forma maliciosa. La no interactividad de los ZK-SNARKs también significa que las pruebas se pueden verificar de forma trustless por cualquiera.

¿Cuáles son las desventajas de los ZK-SNARKs?

Hay tres desventajas principales al usar ZK-SNARKs: requieren un trusted setup, son susceptibles a ataques de computación cuántica, y dependen de hardware especial.

1. Trusted setup

Configurar el protocolo ZK-SNARK requiere la creación de una Universal Common Reference String (CRS). También descrita como parámetros públicos, la CRS permite la comunicación segura entre provers y verifiers.

Si un actor malicioso obtuviera conocimiento de los parámetros públicos, podría generar pruebas de validez falsas. Algunos proyectos intentan resolver este problema usando computación multipartita (MPC), que involucra a distintas personas, para generar los parámetros públicos.

Sin embargo, este enfoque requiere que los usuarios confíen en la integridad de los involucrados. Esto es bastante problemático ya que el propósito de las blockchains es reducir la necesidad de confiar en autoridades.

2. Susceptibilidad a ataques de computación cuántica

ZK-SNARK usa Elliptic Curve Cryptography (ECC) para cifrar la información usada en la producción de pruebas de validez. La ECC es relativamente segura por ahora, pero los avances en computación cuántica podrían romper su modelo de seguridad.

3. Dependencia de hardware especial

Generar pruebas de validez con ZK-SNARKs es un proceso computacionalmente intensivo, lo que significa que los provers deben invertir en hardware especializado. Debido a que muy pocas personas pueden comprar estas máquinas, muchos consideran que el proceso de prueba de ZK-SNARK está altamente centralizado.

¿Qué proyectos usan ZK-SNARKs?

Cinco proyectos notables que usan ZK-SNARKs son ZKSync, Loopring, Aztec, Polygon Hermez y ZKSpace.

zkSync

ZK rollup compatible con EVM que vive en Ethereum Mainnet, creado por Matter Labs. ZKSync soporta smart contracts, swaps de tokens, pagos y minting de NFTs.

Loopring

Proyecto de Ethereum Layer 2 (L2) impulsado por tecnología de ZK rollup basada en SNARK. Loopring también funciona como un exchange descentralizado para operar ETH y otros tokens ERC-20, por una fracción de los costos que cobran los DEX en Ethereum Mainnet.

Aztec

Red L2 de código abierto construida sobre la red de Ethereum. Aztec aprovecha los ZK-SNARKs para escalar transacciones y aumentar la privacidad financiera de los usuarios.

Polygon hermez

ZK rollup que opera sobre la blockchain de Ethereum. Polygon Hermez usa ZK-SNARKs para impulsar transferencias de tokens y pagos seguros y de bajo costo.

Zkspace

Proyecto de ZK rollup basado en ZK-SNARKs. ZKSpace ofrece a los usuarios de Ethereum gas fees más bajas y transacciones más rápidas, y comprende un DEX estilo AMM (ZKSwap v3), una red de pagos (ZKSquare) y un marketplace de NFT (ZKSea).

¿Qué es un ZK-STARK?

ZK-STARK es un acrónimo de Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge. Al igual que los ZK-SNARKs, los ZK-STARKs demuestran que una afirmación es válida sin revelar nada sobre la afirmación en sí.

Salvo algunas diferencias, un STARK tiene las mismas propiedades que un SNARK. Las pruebas de validez basadas en STARK se generan usando una pieza de información, que se oculta del verifier. Un STARK también puede verificar la corrección de las transacciones sin revelar los inputs.

ZK-STARKs vs. ZK-SNARKs

La principal diferencia con los ZK-STARKs proviene de sus propiedades escalables y transparentes:

Se considera que el ZK-STARK es transparente porque puede funcionar sin un trusted setup de una Common Reference String (CRS). En su lugar, los protocolos STARK usan aleatoriedad verificable públicamente para establecer las interacciones entre provers y verifiers.

Los ZK-STARKs son escalables porque la complejidad de generar y verificar pruebas escala de forma cuasilineal en relación con la complejidad del cómputo. Con los ZK-SNARKs, la complejidad de generar y verificar pruebas escala linealmente en relación con el cómputo subyacente.

Esto simplemente significa que los protocolos ZK-SNARK requieren más tiempo para producir y verificar pruebas que los ZK-STARKs cuando el cómputo que necesitamos verificar es más grande. Por eso los STARKs son más adecuados para aplicaciones que manejan grandes volúmenes de transacciones.

¿Cuáles son los beneficios de los ZK-STARKs?

Hay cuatro beneficios principales al usar ZK-STARKs: no necesitan trusted setup, son escalables, brindan a los usuarios el máximo throughput, y tienen garantías de seguridad altas.

1. No necesitan trusted setup

Los ZK-STARKs no requieren un trusted setup para funcionar y en su lugar dependen de aleatoriedad pública. Esto reduce los supuestos de confianza por parte de los usuarios y mejora la seguridad de los protocolos basados en STARK.

2. Propiedades escalables

Los STARKs se pueden computar y verificar más rápido a escala en comparación con los SNARKs. Más importante aún, los ZK-STARKs mantienen bajos los tiempos de generación y verificación de pruebas incluso cuando la complejidad del cómputo subyacente crece exponencialmente.

3. Máximo throughput

Al igual que los SNARKs, los STARKs pueden escalar blockchains al permitir un cómputo off-chain seguro y verificable.

Una sola prueba STARK enviada a la chain L1 puede verificar miles de transacciones realizadas fuera de la chain principal. Por eso, varios proyectos de ZK rollup de alto perfil usan ZK-SNARKs para demostrar la integridad del cómputo off-chain.

4. Garantías de seguridad más altas

Los ZK-STARKs usan hashes resistentes a colisiones para el cifrado, en lugar de los esquemas de curvas elípticas usados en los ZK-SNARKs. Esto se considera resistente a los ataques de computación cuántica, lo que lo hace más seguro que las curvas elípticas usadas en los SNARKs.

¿Cuáles son las desventajas de los ZK-STARKs?

Las dos desventajas principales de usar ZK-STARKs son que usan tamaños de prueba más grandes y que hay menos adopción de la tecnología en el espacio blockchain.

1. Tamaños de prueba más grandes

Si bien los STARKs proporcionan pruebas más rápidas, la desventaja es que estas pruebas son más grandes en comparación con las pruebas basadas en SNARK. Esto hace que las pruebas STARK sean más costosas de verificar en Ethereum, ya que computar pruebas más grandes implica gas fees más altas.

2. Menor adopción

Los SNARKs fueron la primera aplicación práctica de la tecnología de conocimiento cero en blockchains, por lo que tienen más participación de mercado que los STARKs. La mayoría de los ZK rollups usan ZK-SNARKs y el ecosistema de desarrollo y las herramientas para pruebas ZK basadas en SNARK son más grandes.

Aunque los ZK-STARKs también tienen partidarios de alto perfil, incluida la Ethereum Foundation, tienen menor adopción. Por lo tanto, los desarrolladores pueden encontrar menos soporte y herramientas para construir proyectos ZK con STARKs.

¿Qué proyectos usan ZK-STARKs?

StarkNet

ZK rollup de propósito general que opera como una red L2 en Ethereum. StarkNet permite que las aplicaciones descentralizadas alcancen escalabilidad ilimitada sin comprometer la descentralización ni la seguridad de Ethereum.

dYdX

Proyecto de ZK rollup basado en Ethereum (que también funciona como un exchange descentralizado) que ofrece a los usuarios y traders de cripto trading, préstamos y créditos rápidos y de bajo costo. dYdX usa pruebas STARK como parte de su mecanismo de seguridad, garantizando la seguridad de los fondos de los usuarios.

Polygon miden

ZK rollup basado en STARK con compatibilidad con EVM. Aunque todavía está en producción, Polygon Miden será el primer protocolo ZK-STARK compatible con EVM al momento de su lanzamiento, y permitirá a los desarrolladores migrar aplicaciones nativas de Ethereum para aprovechar la escalabilidad en la red L2.

¿Qué es un ZK-SNARK recursivo?

Un sistema SNARK recursivo genera pruebas en paralelo para distintos bloques de transacciones y las agrega en una sola prueba de bloque que se envía a la blockchain principal, lo que significa que un SNARK puede verificar otros SNARKs.

El rollup L2 sigue enviando una sola prueba de validez en Ethereum. Sin embargo, esta "prueba recursiva" verifica transacciones en múltiples bloques L2, todos los cuales se vuelven válidos una vez que el contrato on-chain acepta la prueba enviada.

¿Qué problema resuelven los ZK-SNARKs recursivos?

Los ZK-SNARKs recursivos aumentan drásticamente la cantidad de transacciones que se pueden finalizar con una prueba ZK, al incluir múltiples pruebas L2 en una sola prueba enviada a la chain L1, lo cual actualmente está limitado por el tiempo de bloque de Ethereum de 12-14 segundos.

El tiempo de bloque se refiere a cuánto tarda en minarse un nuevo bloque de transacciones en Ethereum. Los ZK rollups solo pueden enviar una transacción on-chain (y la prueba de validez correspondiente) por bloque, lo que limita cuántas transacciones pueden procesar.

¿En qué se diferencia un ZK-SNARK recursivo de un ZK-SNARK normal?

Un ZK-SNARK recursivo es diferente de un ZK-SNARK normal porque los ZK-SNARKs recursivos pueden verificar más de un bloque de transacciones al combinar SNARKs generados para distintos bloques L2 en una sola prueba de validez que se envía a la chain L1.

Los ZK rollups crean una prueba SNARK para cada lote de transacciones antes de publicarlas en la blockchain principal, y una sola prueba SNARK solo puede verificar un bloque de transacciones realizadas en el rollup L2.

Los ZK-SNARKs pueden verificar transacciones que ya fueron verificadas por ZK-SNARKs regulares sin usar los inputs originales. Por lo tanto, el smart contract on-chain puede verificar un conjunto más grande de cómputos off-chain sin ejecutar múltiples SNARKs como inputs.

¿Qué es plonky2?

Plonky2 es un mecanismo de prueba novedoso usado en Polygon Zero, un ZK rollup de Polygon propuesto que usa ZK-SNARKs recursivos para aumentar las transacciones.

Los SNARKs recursivos escalan el proceso de generación de pruebas agregando varias pruebas en una prueba recursiva, y Plonky2 usa la misma técnica para reducir el tiempo que toma generar nuevas pruebas de bloque.

El mecanismo de prueba Plonky2 genera pruebas para miles de transacciones en paralelo antes de agregarlas recursivamente en una sola prueba de bloque. Esto es más eficiente que los mecanismos de prueba tradicionales que intentan generar la totalidad de la prueba de bloque de una sola vez.

Los beneficios de este enfoque son evidentes.

Plonky2 puede generar una prueba recursiva en 0.17 segundos, lo que lo convierte en el mecanismo de prueba más rápido disponible. Además, Plonky2 produce pruebas en un dispositivo de consumo estándar, resolviendo los problemas de centralización de hardware que tienen los sistemas de prover regulares basados en SNARK.

Conclusión

Las pruebas de conocimiento cero han pasado de ser tecnologías de protección de la privacidad a convertirse en la próxima frontera de la tecnología de escalado. Con la explosión de los ZK rollups, es seguro decir que los ZK-SNARKs, los ZK-STARKs y los SNARKs recursivos tendrán un papel central en el impulso para escalar Ethereum.

Los desarrolladores de Web3 pueden aprovechar la tecnología de conocimiento cero construyendo sobre StarkNet, un ZK rollup de Ethereum impulsado por STARK y soportado por Alchemy. ¡Empieza hoy a construir apps que escalan sin trade-offs!