一文看懂zk-STARK协议

news/2025/10/20 9:36:55/文章来源:https://www.cnblogs.com/gyc567/p/19151825

一文看懂zk-STARK：从原理到代码，零知识证明的"抗量子黑科技"

想象一下：你想向老师证明你会做一道超难的数学题，但不想说答案；或者向银行证明你存款够多，却不想暴露具体数字——这不是魔术，而是zk-STARK能实现的"只证明、不泄密"的黑科技。今天我们不仅聊原理，还会手把手教你用开源工具体验它的核心逻辑。

一、先懂"零知识证明"：证明事实，不泄秘密

"零知识证明"的核心：让对方相信一件事是真的，但不透露任何额外信息。

举个生活例子：
你有一个带密码锁的盒子，里面藏着你家钥匙。你想向朋友证明"你知道盒子密码"，但不想说密码。
办法很简单：让朋友在盒子里放一张纸条，你锁上盒子再打开——朋友看到纸条被取出来，就知道你会开锁，但始终没见过密码。
这就是"零知识"的精髓：证明了能力，却没泄露关键信息。

二、zk-STARK：零知识证明里的"全能选手"

zk-STARK是"零知识可扩展透明知识论证"的缩写，它比普通零知识证明多了三个"超能力"：

1. 不需要"可信第三方"

很多类似技术（比如zk-SNARK）需要一个"大家都信的人"来生成初始密码参数，就像打牌需要一个公正的发牌员。但zk-STARK不用：它的参数是公开随机生成的，就像用抛硬币的结果当发牌规则，谁也做不了假。

2. 能搞定"超大任务"

如果要证明"100万笔交易计算正确"，普通证明可能生成1GB的文件，传输验证都很慢。但zk-STARK的证明大小几乎不随任务增长而膨胀，就像把100万页纸压缩成一个U盘大小，效率极高。

3. 不怕未来的"量子计算机"

现在的加密技术靠"大数分解"等难题保护，但量子计算机可能轻松破解。zk-STARK用"哈希函数"（类似不可逆的加密）构建证明，就像一把量子计算机也咬不开的锁，安全性更持久。

三、动手体验：用开源工具写一个简单的zk-STARK证明

我们用StarkWare开源的cairo-lang工具（zk-STARK的主流开发框架），来实现一个简单场景：证明"我知道一个数字x，使得x+3=5"（即x=2），但不透露x的值。

步骤1：安装工具

首先安装Cairo（zk-STARK的编程语言）：

# 安装Python（3.8+）后，执行以下命令
pip install cairo-lang

步骤2：写一个"证明逻辑"程序

创建文件simple_proof.cairo，代码如下：

# 定义一个函数：证明存在x，使得x+3=5
func prove_x() -> ():# 声明一个秘密输入x（不会被公开）let x = 2  # 这是我们的秘密，实际场景中会由用户输入# 计算x+3，检查是否等于5let result = x + 3assert result == 5, "计算错误：x+3不等于5"return ()
end# 启动程序
prove_x()

步骤3：生成证明

执行以下命令，生成STARK证明文件：

# 编译代码
cairo-compile simple_proof.cairo --output simple_proof_compiled.json# 生成证明（需要指定"公开输入"，这里没有公开输入，用空列表）
starknet generate-proof \--program simple_proof_compiled.json \--public-inputs [] \--proof proof.json

步骤4：验证证明

用以下命令验证证明是否有效：

starknet verify-proof \--program simple_proof_compiled.json \--public-inputs [] \--proof proof.json

如果输出Proof verified successfully，说明验证通过！对方会相信"你知道x的值"，但始终不知道x是2。

四、zk-STARK的真实应用场景

区块链扩容（StarkNet）：
以太坊每秒只能处理几十笔交易，StarkNet用zk-STARK把上千笔交易打包成一个证明，提交到以太坊主链，速度提升100倍以上，同时保持安全性。
隐私金融（dYdX）：
去中心化交易所dYdX用zk-STARK实现隐私交易，用户转账时，别人只能看到"交易有效"，看不到金额和对手方，兼顾隐私和合规。
身份验证：
未来你证明"年满18岁"时，不用出示身份证号，只需生成一个zk-STARK证明——验证方知道你符合条件，却看不到你的生日、地址等信息。

五、总结：zk-STARK为什么重要？

它解决了数字世界的一个核心矛盾：既要证明自己的"资格"（比如有钱、有权限），又要保护隐私。而且它不依赖任何人、能处理海量数据、不怕量子计算机，堪称未来互联网的"隐私基础设施"。

虽然底层数学很复杂，但通过Cairo这样的工具，普通人也能上手开发。

zk-STARK在GitHub上有许多优秀的代码和教程资源，以下是一些比较知名的：

ZKDL Camp：由Distributed Lab举办的一系列零知识主题讲座，其GitHub仓库为https://github.com/ZKDL-Camp。该仓库包含多个与zk-STARK相关的项目，如lecture-4-pairings、lecture-8-r1cs-qap等，每个项目都有对应的讲义笔记、幻灯片和练习题等资源。此外，https://zkdl-camp.github.io/上还有关于zk-STARK的详细教程，其中第14讲为zk-STARK简明入门。
Stark 101：这是一个关于如何用Python从头开始编写Stark证明器的实践教程，其GitHub仓库为https://github.com/starkware-libs/stark101。该教程的每一部分都有一个简短的解释视频和一个Jupyter实践笔记本，帮助开发者更好地理解和实践。
Trapdoor Tech：Trapdoor Tech团队在https://github.com/Trapdoor-Tech上分享了他们学习STARK的过程以及zkHack mini挑战赛的解题源代码，如zkhack-can-you-turn-up-the-heat-winterfell.git和zkhack-M1-can-you-turn-up-the-heat.git。同时，他们还通过https://trapdoor-tech.github.io/zkstark-book/提供了详细的STARK证明系统教程，包括电路搭建、安全性等内容。
Lambda Class：Lambda Class团队维护的zk-STARK实现代码位于https://github.com/lambdaclass/lambdaworks/tree/main/provers/stark，项目有丰富详尽的文档说明，方便理解项目代码结构，对于提升工程实践能力有很大帮助。
StarkWare：StarkWare开发的第二代Stark证明器STWO的代码库为https://github.com/starkware-libs/stone-prover，该证明器采用全新zk协议CircleStark，解锁了高效素数域M31。