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零知识证明的前世今生及原理详细解析

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引言

我认为区块链很难称为一个“技术”。它更像是一个领域，包罗万象。或者形而上地说，区块链更像一个有机体，融合了各种不同的理论技术。

零知识证明是构建信任的重要技术，也是区块链这个有机体中不可缺少的一环。

零知识证明是打通链上数据与链下计算的关键技术，也是实现链上数据隐私保护的重要途径

要解释「零知识证明」，我们需要先解释「证明」，然后解释什么是「知识」，最后再解释什么是「零知识」。

“证明”的前世今生

什么是证明？很多人可能和我一样，看到这两个字，会不禁想起中学考卷中各种三角相似的几何图形，当老师在神奇地画出一条辅助线后，证明过程突然显而易见，然后会懊悔自己为何没想到。

古希腊：「证明」==「洞见」

数学证明最早源于古希腊。他们发明（发现）了公理与逻辑，他们用证明来说服对方，而不是靠权威。这是彻头彻尾的「去中心化」。自古希腊以降，这种方法论影响了整个人类文明的进程。

上图是「勾股定理」的巧妙证明。历史上曾出现过许许多多精巧的证明，神奇的思路，天才的灵感。一旦一个命题被证明，上帝都无能为力。嗯，对了，还有那个「上帝不是万能的」证明：上帝不能造出一块他举不起来的石头。

一个数学证明往往暗藏无比深刻的「洞见」，相信很多人都看过「费马大定理」的故事［1］，这个定理证明横跨四百年，从费马写下「这里空间太小，我写不下」，到怀尔斯最终登顶，耗费了许多代人的聪明才智。最近如「彭加莱猜想」，稍微带点年代感的如「哥德巴赫猜想」，还有我非常敬佩的华裔科学家张益唐十年磨一剑，在仔细研究了「Goldston-Pintz-Y?ld?r?m」和「Bombieri-Friedlander-Iwaniec.」的证明「洞见」之后，证明了「质数间的有界间隔」［2］。

自十七世纪，莱布尼茨起，人们就梦想找到一种机械的手段，可以来自动完成证明，而不再依赖天才的灵光一现。

二十世纪初：「证明」==「符号推理」

时间到了十九世纪末，康托、布尔、弗雷格、希尔伯特、罗素、布劳威、哥德尔等人定义了形式化逻辑的符号系统。而「证明」则是在利用形式化逻辑的符号语言编写的推理过程。逻辑本身靠谱么？逻辑本身「自恰」吗？逻辑推理本身对不对，能够证明吗？这让数学家/逻辑学家/计算机科学家发明（发现）了符号系统，语法vs.语义，可靠vs.完备，递归vs.无穷。（这部分精彩故事请参看『逻辑的引擎』一书［3］）。

1910年，罗素发表了洪（zhuan）荒（tou）巨著『数学原理』。在书中，罗素与怀特海试图将数学完整地「形式化」下来。如果能达到这样的目标，所有的数学成果都将以证明的方式建立在坚实的基础上。下图就是『数学原理（卷二）』中的一页：

其中110.643这是一个命题：「1+1=2」，然后接下来就是这个定理的证明。大家可能奇怪，难道1+1还需要证明吗？是的，在数学原理一书中，数字0，1，2，……都有严格定义，「加法」、「乘法」、「等于」都要严格定义，然后每一步的推理都需要指出依据。证明意味着什么？证明是可能繁琐无比的、但是每一步推理都严格无误。书中大量的证明都机械式的，按照公理和推理规则进行一种证明的构造，寻找证明就好像可以交给一个人，然后他无脑在公理与推理规则的集合中进行机械查找。

似乎人们距离「定理的自动证明」并不遥远了。

不幸的是，哥德尔在1931年证明了「哥德尔不完备性定理」［4］，图灵在1936年证明了图灵机停机问题的不可判定性［5］。这些成果彻底终结了这个几百年的幻想。无论公理系统如何精巧设计，都无法抓住所有的真理。

证明不仅仅是一个严格推理，而且凝结了似乎很难机械化的创造性思维。证明中蕴含了大量的「知识」，每一次的突破，都将我们的认知提升到一个新的高度。不管是「洞见」，还是推理过程中所构造的「算法」，一个定理的证明的内涵往往远超出定理本身的结论。

六十年代：「证明」==「程序」

又过了半个世纪，到了六十年代，逻辑学家HaskellCurry和WilliamHoward相继发现了在「逻辑系统」和「计算系统—Lambda演算」中出现了很多「神奇的对应」，这就是后来被命名的「Curry-HowardCorrespondence」。这个发现使得大家恍然大悟，「编写程序」和「编写证明」实际在概念上是完全统一的。而在这之后的50年，相关理论与技术发展使得证明不再停留在草稿纸上，而是可以用程序来表达。这个同构映射非常有趣：程序的类型对应于证明的定理；循环对应于归纳；……（这里推荐一本书：『软件基础』（SoftwareFoundations中译本）［6］）。在直觉主义框架中，证明就意味