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ZK 기술이란?

2023년 1월 20일 /

블록체인 기술

ZK 기술은 당사자가 정보 자체에 대한 통찰력 없이 정보를 증명하고 검증할 수 있도록 하는 암호화 기술입니다. 

ZK 기술 또는 영지식 기술은 영지식 증명이라는 암호화 방법을 사용하는 프로토콜 및 서비스에 대한 포괄적인 용어입니다. 영지식 증명을 통해 한 당사자가 다른 당사자에게 사실을 증명할 수 있으므로 두 번째 당사자가 사실 자체를 알지 않고도 이를 확인할 수 있습니다.

ZK 기술의 개념은 1980년대에 등장했으며 최근 몇 년간 퍼블릭 블록체인 플랫폼의 부상으로 암호화 기술을 위한 새로운 애플리케이션이 생겨나면서 영지식 프로토콜의 개발이 주목을 받고 있습니다.

영지식 증명은 블록체인에 프라이버시 와 확장성 을 도입하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다 . 그러나 ID 및 인증에 다양한 잠재적 사용 사례가 있습니다. 예를 들어 영지식 증명을 통해 개인은 신분증 사본을 제공하지 않고도 21세 이상임을 증명할 수 있습니다.

영지식 기술의 역사

영지식 증명의 개념은 1989년 2월에 "The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems"라는 논문을 발표한 MIT 연구원에 의해 소개되었습니다. 논문의 첫 번째 줄은 문제 설명을 제시합니다.

예를 들어 누군가가 21세 이상이라는 사실과 같은 자격 증명을 증명해야 하는 경우 생년월일이 표시된 신분 증명서를 생성해야만 그렇게 할 수 있습니다. 그러나 실제 나이나 생년월일을 공개하지 않고는 자신이 성년임을 증명할 방법이 없습니다. 다른 많은 유형의 자격 증명도 마찬가지입니다.

연구자들은 이 개념을 사실을 증명하는 데 필요한 지식의 복잡성을 설명하는 컴퓨팅 이론으로 확장했습니다. 그들은 두 당사자가 사실을 증명하고 확인하기 위해 반복적으로 상호작용해야 하는 "상호작용적" 영지식 증명과 상호작용의 필요성을 제거하는 '비상호작용적' 영지식 증명을 구분했습니다. 이 문제는 알리바바 동굴이라는 비유로 설명할 수 있습니다.

알리바바 동굴 문제

알리바바 동굴은 반지 모양의 동굴에 서 있는 증명자 Peggy와 검증자 Victor의 두 파티로 구성됩니다. Peggy는 왼쪽의 경로 A 또는 오른쪽의 경로 B를 따라 동굴 반대편으로 가는 길을 막고 있는 암호로 잠긴 마법의 문에 도달할 수 있습니다. Peggy는 Victor에게 말하지 않아도 마법의 문에 대한 암호를 알고 있음을 Victor에게 증명하고 싶어합니다.

알리바바 동굴 문제의 이미지

그녀의 지식을 증명하기 위해 Peggy는 동굴에 들어가고 Victor는 그녀가 어느 길을 가는지 볼 수 없도록 밖에서 기다립니다. 그런 다음 그는 동굴에 들어가 Peggy가 돌아올 때 사용하기를 원하는 경로의 이름을 외칩니다.

Peggy가 실제로 비밀번호를 몰랐다면 Victor가 사용하기를 원하는 경로에서 벗어날 가능성이 50%입니다. 그러나 그들이 이 테스트를 여러 번 반복하고 Peggy가 항상 올바른 경로에서 나온다면 Victor는 결국 그녀가 암호를 알고 있어야 한다는 결론을 내릴 수 있습니다.

Ali Baba 동굴은 컴퓨팅 목적으로 영지식 증명을 연구하는 암호 작성자가 직면한 핵심 한계를 보여줍니다. Peggy와 Victor는 증명이 성공하기 위해 여러 테스트에 참여하고 기꺼이 상호 작용해야 합니다. 이러한 요구 사항은 컴퓨팅에서 영지식 증명의 실제 적용을 제한했습니다.

영지식 증명을 정의하는 기준

ZK 기술의 주요 혁신은 Manuel Blum, Paul Feldman 및 Silvio Micali가 "Non-Interactive Zero-Knowledge and Its Applications"라는 논문을 발표한 1991년에 이루어졌습니다.

논문에서 그들은 증명자와 검증자 사이에 공유되는 암호화 키를 사용할 것을 제안합니다. 증명자와 검증자는 지식을 공개하지 않고 사실을 증명하는 방법에 동의하고 이러한 규칙에 따라 공유 키를 생성합니다. 그런 다음 증명자는 자신의 공유 키를 입력할 수 있으며, 확인자는 자신의 것과 일치하는지 쉽게 확인할 수 있습니다.

이제 단일 상호 작용에서 사실을 입증하고 검증할 수 있으므로 여러 상호 작용이 필요하지 않습니다. 상호작용의 시간과 부담을 줄임으로써 대규모 컴퓨팅에서 영지식 증명을 배포하는 것이 가능해졌습니다.

공유 키는 블록체인 지갑 을 암호화하는 공개/개인 키 와 유사한 방식으로 쌍으로 작동합니다 .

이 논문에서 Blum, Feldman 및 Micali는 모든 영지식 증명에 적용되는 일련의 기준을 제시했습니다.

• 완전해야 합니다. 즉, 입력이 유효한 한 증명은 항상 진술이 참임을 확인하므로 신뢰할 수 있습니다.
• 유효하지 않은 입력이 참 값을 반환할 수 없도록 소리가 나야 합니다.
• 영지식이어야 합니다. 검증자는 원래 입력에 대한 정보가 아닌 진술의 유효성 또는 기타 사항에 대해서만 알아야 합니다.

ZK 기술의 종류

블록체인 영역 밖에서 ZK 기술은 인증 및 핵군축과 같은 분야에 적용됩니다. 블록체인 내에서 영지식 증명은 최근 몇 년 동안 상당한 유용성을 개발하고 얻었습니다. 현재 블록체인 프로토콜에서 사용하는 ZK 기술에는 ZK-SNARK와 ZK-STARK의 두 가지 유형이 있습니다.

ZK-SNARK

ZK-SNARK는 Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge의 약자입니다. 각 문자는 정의 속성입니다.

• ZK – 프로토콜은 영지식입니다. 검증자는 사실 자체를 모른 채 사실을 검증할 수 있습니다.
• 간결함 – 증거는 사실 자체보다 작고 확인하기 쉽습니다.
• N on-interactive – 증명자와 검증자는 공유 키 덕분에 한 번만 상호 작용하면 됩니다.
• Knowledge의 주장 – 프로토콜은 속일 수 없도록 위에 제시된 "건전성" 기준을 충족해야 하며 사실을 모르는 사람이 ZK - SNARK 를 생성하는 것은 엄청나게 어려워야 합니다.

ZK-SNARK는 개인 암호 화폐 거래를 가능하게 하는 암호화 솔루션으로 Zcash 에서 개발했습니다. 그러나 ZK-SNARK의 주요 단점은 공유 암호화 키를 생성하기 위해 프로토콜 또는 공급자를 사용하는 신뢰할 수 있는 설정이 필요하다는 것입니다.

ZK-STARK

ZK-STARK는 Zero-Knowledge Scalable Transparent Knowledge of Argument의 약자입니다. ZK-SNARK와 다른 속성은 다음과 같습니다. 

• 확장성 – 검증을 위해 처리해야 할 데이터가 많은 곳에서 ZK-STARK는 증명을 생성하고 검증하는 데 더 빠릅니다. ZK-STARK는 확인 시간을 조금씩 늘려가면서 기하급수적으로 더 많은 양의 데이터를 처리할 수 있습니다.
• 투명성 – ZK-STARK는 공개적으로 검증 가능한 임의성을 활용하여 영지식 증명에 필요한 공유 키를 생성합니다. 따라서 신뢰할 수 있는 설정이 필요하지 않습니다.

이러한 기능은 ZK-STARK가 ZK-SNARK에 비해 몇 가지 이점을 제공한다는 것을 의미합니다. 그러나 ZK-STARK는 ZK-SNARK보다 더 복잡한 증명을 생성하므로 일반적으로 더 높은 거래 비용이 발생합니다.

블록체인 확장성을 위한 ZK 기술

레이어 2 플랫폼은 ZK-STARK를 활용 하여 영지식 롤업 또는 ZK 롤업이라는 솔루션을 사용하여 이더리움 의 확장성을 높입니다.

이 방법은 이더리움 트랜잭션을 이더리움 메인넷이 아닌 레이어 2 플랫폼에서 실행할 배치로 묶어 혼잡을 완화하는 데 사용됩니다. 레이어 2 플랫폼은 처리된 트랜잭션의 ZK 증명을 이더리움 메인넷에 제공하여 블록체인의 전체 상태를 업데이트합니다.

ZK 롤업 프로젝트에는 Layer 2 플랫폼 StarkNet, zkSync 및 Polygon Zero 가 포함 됩니다.

ZK 기술의 다른 사용 사례

아직 널리 배포되지는 않았지만 ZK 기술은 개인 정보를 보호하는 데 도움이 되는 잠재력을 가지고 있습니다. 개인이 연령, 특정 국가 거주자 또는 제재 목록에 없음을 나타내는 ZK 증빙을 제공할 수 있다고 가정합니다. 이 경우 사람들이 서비스 제공자에게 정부 발급 신분증 사본을 제공해야 하는 요구 사항을 없앨 수 있습니다. 결과적으로 이것은 문서가 해킹되고 온라인으로 유출되는 위험을 줄여 사용자 개인 정보를 강화합니다.

마찬가지로 ZK 증명은 온라인 인증을 더 쉽게 만들어 누군가가 서비스에 액세스할 때마다 민감한 로그인 자격 증명을 노출할 필요가 없도록 합니다.

ZK 기술의 핵심

• ZK 증명은 당사자가 정보 자체에 대한 통찰력 없이 정보를 증명하고 확인할 수 있도록 하는 암호화 방법입니다.
• ZK 기술은 1980년대에 등장하여 ZK-SNARK와 ZK-STARK라는 두 가지 주요 영지식 증명 유형으로 발전했습니다.
• ZK-SNARK는 암호화폐 결제를 보다 비공개로 만드는 데 사용되며 ZK-STARK는 이제 레이어 2 스케일링 플랫폼에 널리 배포됩니다. ZK 기술에는 ID 및 인증에 대한 다른 잠재적 사용 사례가 있습니다.

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