[논문 리뷰] A Survey on the Applications of Zero-Knowledge Proofs

Ryan Lavin, Xuekai Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 08. 01.

Logic, Reasoning, and Knowledge인용 수 14

한 줄 요약

제로지식 증명(ZKPs)의 실용적 응용에 초점을 맞춘 포괄적 설문으로, zkSNARKs, 인프라 및 블록체인과 비블록체인 사용 사례를 강조하고 향후 방향까지 다룬다.

ABSTRACT

Zero-knowledge proofs (ZKPs) represent a revolutionary advance in computational integrity and privacy technology, enabling the secure and private exchange of information without revealing underlying private data. ZKPs have unique advantages in terms of universality and minimal security assumptions when compared to other privacy-sensitive computational methods for distributed systems, such as homomorphic encryption and secure multiparty computation. Their application spans multiple domains, from enhancing privacy in blockchain to facilitating confidential verification of computational tasks. This survey starts with a high-level overview of the technical workings of ZKPs with a focus on an increasingly relevant subset of ZKPs called zk-SNARKS. While there have been prior surveys on the algorithmic and theoretical aspects of ZKPs, our work is distinguished by providing a broader view of practical aspects and describing many recently-developed use cases of ZKPs across various domains. These application domains span blockchain privacy, scaling, storage, and interoperability, as well as non-blockchain applications like voting, authentication, timelocks, and machine learning. Aimed at both practitioners and researchers, the survey also covers foundational components and infrastructure such as zero-knowledge virtual machines (zkVM), domain-specific languages (DSLs), supporting libraries, frameworks, and protocols. We conclude with a discussion on future directions, positioning ZKPs as pivotal in the advancement of cryptographic practices and digital privacy across many applications.

연구 동기 및 목표

• ZKPs 및 zkSNARKs를 이론을 넘어 실무 지향적으로 폭넓게 개관한다.
• 블록체인(프라이버시, 확장성, 저장, 상호 운용성) 및 비블록체인 영역(투표, 인증, 타임록, ML)에서 ZKPs의 실용적 응용을 강조한다.
• ZKP 배포를 가능하게 하는 기초 구성 요소, 인프라, 툴링(zkVMs, DSLs, 라이브러리, 프레임워크)을 설명한다.
• ZKP를 다른 프라이버시 보호 방식(FHE, MPC)과 비교하고 트레이드오프 및 설계 고려사항을 논의한다.
• 다양한 응용 분야에서 암호학적 프라이버시를 발전시키는 ZKP의 미래 방향과 역할을 식별한다.

제안 방법

• SNARK의 정의와 특성(간결성, 비상호작용성, 지식성)을 설명한다.
• 프런트엔드(고수준 코드에서 회로로)에서 백엔드(증명 생성, 검증)까지의 ZKP 수명주기를 설명한다.
• R1CS(Rank-1 Constraint Systems)를 통한 산술화 및 백엔드로서의 QAP(Quadratic Arithmetic Programs)로의 변환을 제시한다.
• 비상호적 증명에 대한 Fiat-Shamir 등의 암호학적 가젯과의 통합을 논의한다.
• zkVM 아키텍처, 도메인 특화 언어(DSLs), ZKP 적용 애플리케이션 구축에 사용되는 지원 라이브러리/프레임워크를 검토한다.

Figure 1 : Survey Structure

실험 결과

연구 질문

• RQ1 zkSNARKs가 실용적 제로지식 증명을 가능하게 하는 기초 구성 요소와 특성은 무엇인가?
• RQ2 ZKP 응용 프로그램의 개발 및 배치를 지원하는 인프라(zkVMs, DSLs, 라이브러리)는 무엇인가?
• RQ3 블록체인 및 비블록체인 영역에서 ZKPs가 어떻게 적용되며 주요 사용 사례와 과제는 무엇인가?
• RQ4 ZKP 배포 및 프라이버시 보호 계산에서의 미래 방향과 오픈 리서치 방향은 무엇인가?

주요 결과

• ZKPs는 입력이나 프로세스를 노출하지 않고도 계산의 간결하고 비공개인 증명을 제공하여 검증을 가능하게 한다.
• Fiat-Shamir를 통한 비상호작용으로 zkSNARKs가 현대 시스템에서 실용적이고 공개적으로 검증 가능한 증명의 중심이 된다.
• 본 설문은 ZKPs를 FHE 및 MPC와 대조하며 보편성 및 최소한의 보안 가정이 이점으로 작용한다고 강조한다.
• ZKPN-enabled 애플리케이션 빌드를 뒷받침하는 광범위한 인프라 생태계(zkVMs, zkDSLs, 라이브러리, 프로토콜)가 존재한다.
• ZKPs는 프라이버시, 확장성, 상호운용성 등 블록체인 특화 니즈뿐 아니라 투표, 인증, ML, 타임록 등 더 넓은 영역에도 적용 가능하다.
• 미래 방향은 다양한 응용 분야에서 암호학적 실천과 디지털 프라이버시에 대한 ZKP의 역할 확대를 강조한다.

Figure 5 : Arithmetization Schemes