Zero-Knowledge Proof là gì? Tìm hiểu về công nghệ mật mã học ZKP

Zero-Knowledge Proof (ZKP) là phương pháp mật mã cho phép một bên (người chứng minh) chứng minh với bên khác (người xác minh) rằng một tuyên bố là đúng mà không tiết lộ bất kỳ thông tin nào khác. Hãy cùng Block24 tìm hiểu cụ thể hơn qua bài viết này nhé.

Zero-Knowledge Proof (ZKP) là gì?

Zero-Knowledge Proof là phương pháp giúp xác minh một tuyên bố mà không cần tiết lộ thông tin cụ thể. Ví dụ, bạn muốn chứng minh rằng mình biết mật khẩu để mở một cánh cửa, nhưng không muốn tiết lộ mật khẩu đó. Với ZKP, bạn có thể làm điều này mà không cần đưa mật khẩu cho ai cả.

ZKP đóng vai trò then chốt trong việc bảo mật và đảm bảo quyền riêng tư cho các hệ thống blockchain nhờ ba đặc điểm sau:

• Tính đúng đắn (Completeness): Nếu người chứng minh nói thật, người xác minh sẽ bị thuyết phục.
• Tính bảo mật (Soundness): Nếu người chứng minh nói dối, xác suất người xác minh tin vào điều này là cực thấp.
• Tính không tiết lộ (Zero-Knowledge): Người xác minh không biết thêm điều gì khác ngoài việc “tuyên bố là đúng”.

ZKP được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1985 bởi 3 nhà khoa học máy tính: Shafi Goldwasser, Silvio Micali và Charles Rackoff trong một công trình nghiên cứu về lý thuyết mật mã. Có thể nói, công trình này đã mở ra một hướng đi hoàn toàn mới trong mật mã học. Qua nhiều năm phát triển, ZKP đã được cải tiến thành nhiều biến thể như zk-SNARKs, zk-STARKs,… và bắt đầu được áp dụng rộng rãi trong blockchain từ khoảng năm 2016. Nổi bật nhất là sự ra mắt của Zcash, dự án đầu tiên tích hợp ZKP.

Tại sao cần có Zero-knowledge Proof?

Chúng ta cần Zero-Knowledge Proof vì nó giải quyết một vấn đề rất quan trọng trong thế giới số: Làm sao để chứng minh điều gì đó mà không phải tiết lộ thông tin nhạy cảm? Cụ thể là:

• Lộ thông tin cá nhân: Nếu bạn muốn chứng minh mình đủ 18 tuổi thì sẽ cần phải cung cấp cả ngày tháng năm sinh, nhưng điều này tiết lộ quá nhiều thông tin nhạy cảm.
• Tăng rủi ro bị hack/phishing: Mỗi lần bạn chia sẻ thông tin để chứng minh điều gì đó (ví dụ: tài khoản, mật khẩu, địa chỉ ví) sẽ làm tăng nguy cơ bị tấn công.
• Thiếu riêng tư trong giao dịch blockchain: Giao dịch trên blockchain là minh bạch và công khai, mọi người đều có thể biết được ai chuyển tiền cho ai, số tiền bao nhiêu, khi nào,...

Với ZKP, một người có thể chứng minh mình đã được KYC (xác minh danh tính) mà không cần tiết lộ tên, địa chỉ hay giấy tờ tùy thân. Trong blockchain, ZKP cũng đặc biệt hữu ích vì người dùng có thể thực hiện giao dịch một cách riêng tư, không ai ngoài người gửi và người nhận biết được nội dung chi tiết của giao dịch đó.

Ngoài ra, ZKP còn đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng quy mô blockchain. Thay vì phải đưa toàn bộ dữ liệu giao dịch on-chain, chỉ cần gửi một bằng chứng toán học (nhưng đáng tin cậy) để chứng minh rằng giao dịch đã được xử lý hợp lệ ở off-chain. Cơ chế này giúp giảm tải cho mạng, giảm phí và tăng tốc độ xử lý, trong khi vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối.

ZKP hoạt động như thế nào?

ZKP hoạt động dựa trên 3 thành phần chính:

• Prover (Người chứng minh): Để chứng minh một tuyên bố là đúng, họ cần  tạo ra một bằng chứng toán học (gọi là proof) cho tuyên bố đó.
• Verifier (Người xác minh): Có nhiệm vụ kiểm tra proof này bằng các hàm số xác minh.
• Protocol (Giao thức): Là nơi triển khai quy trình/thuật toán để kiểm tra tính đúng đắn của tuyên bố mà không cần tiết lộ thông tin cụ thể.

Lấy ví dụ dễ hiểu:

Giả sử bạn (Prover) muốn chứng minh với ai đó (Verifier) rằng bạn biết mật khẩu để mở một cánh cửa của phòng bí mật, nhưng không muốn tiết lộ mật khẩu đó. Bạn sẽ nói với họ rằng: “Tôi có thể đi vào căn phòng qua lối A hoặc lối B đều được, vì tôi biết mật khẩu của cánh cửa bí mật”.

Lúc này, bạn chứng minh bằng cách đi qua cánh cửa ngẫu nhiên từ lối A hoặc lối B. Nếu có thể làm được nhiều lần liên tiếp, họ sẽ tin rằng bạn thực sự biết cách để cách mở cửa, trong khi không cần tiết lộ mật khẩu.

Đây là minh họa cơ bản cho cách hoạt động của ZKP: Chứng minh bạn biết một điều gì đó mà không cần nói ra điều đó là gì.

Phân loại Zero-knowledge Proof

Zero-Knowledge Proof được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, phổ biến nhất là theo cách thức tương tác và công nghệ bằng chứng.

Theo cách thức tương tác

Theo cách thức tương tác, ZKP bao gồm:

• Interactive ZKP (Chứng minh tương tác): Là hình thức chứng minh đòi hỏi sự tương tác nhiều lần giữa Prover và Verifier. Cụ thể, Verifier sẽ liên tục gửi các thử thách hoặc câu hỏi ngẫu nhiên cho Prover, Prover phải phản hồi đúng để thuyết phục rằng tuyên bố được đưa ra là đúng. Dạng ZKP này không phù hợp với môi trường phi tập trung như blockchain vì nó yêu cầu kết nối liên tục giữa Prover và Verifier, trong khi không thể tái sử dụng bằng chứng.
• Non-Interactive ZKP (Chứng minh phi tương tác): Ngược lại thì hình thức chứng minh này không cần sự tương tác liên tục giữa Prover và Verifier. Thay vì phải trải qua nhiều vòng thử thách, Prover chỉ cần tạo ra một proof duy nhất. Non-Interactive ZKP cực kỳ quan trọng trong blockchain, vì bằng chứng chỉ cần được tạo ra một lần và có thể được bất kỳ node mạng nào xác minh, không cần tương tác với Prover. Nhờ tính linh hoạt nên dạng ZKP này là nền tảng cho nhiều công nghệ hiện đại như zk-SNARKs, zk-STARKs, Zcash, và các hệ thống zk-Rollup trên Ethereum.

Theo công nghệ bằng chứng

Theo công nghệ bằng chứng, ZKP bao gồm:

• zk-SNARKs: Thuộc loại Non-Interactive ZKP, có đặc điểm là đơn giản và tốc độ xác minh nhanh, cho phép Prover nhanh chóng tạo ra một bằng chứng ngắn gọn để xác minh. Công nghệ này rất phù hợp với blockchain, nơi vốn hạn chế về khả năng mở rộng nên ưu tiên sự tối giản, nhẹ và chi phí thấp.
• zk-STARKs: Là một phiên bản hiện đại hơn, tập trung nhiều hơn vào tính minh bạch và bảo mật so với zk-SNARKs. Điểm mạnh của dạng ZKP này là khả năng mở rộng, có thể xử lý tốt các proof phức tạp, kích thước lớn. Ngoài ra, zk-STARKs có khả năng “post-quantum secure”, trong khi zk-SNARKs thì không. Tuy nhiên, zk-STARKs thường mất nhiều thời gian hơn để xác minh, do đó mà nó chưa được sử dụng phổ biến như zk-SNARKs. 

Ưu điểm và nhược điểm của ZKP

Ưu điểm

Ưu điểm nổi bật của ZKP được thể hiện qua khả năng mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho blockchain, bao gồm:

• Bảo vệ quyền riêng tư: Cho phép xác minh một thông tin là đúng mà không cần tiết lộ thông tin đó.
• Tăng tính bảo mật: Do không cần chia sẻ dữ liệu nhạy cảm nên giảm thiểu nguy cơ bị rò rỉ hoặc khai thác thông tin cá nhân.
• Ứng dụng linh hoạt trong blockchain: ZKP được sử dụng nhiều trong các giao thức ẩn danh (như Zcash), mở rộng Ethereum (như zk-Rollups), và các giải pháp KYC không tiết lộ danh tính.
• Giảm tải cho mạng blockchain: Trong các ứng dụng như zk-Rollup, ZKP giúp xử lý giao dịch off-chain sau đó gửi lại một bằng chứng duy nhất, giúp giảm phí và tăng tốc độ.
• Tính xác minh công khai: Các loại non-interactive ZKP cho phép bất kỳ ai cũng có thể xác minh bằng chứng mà không cần tương tác với Prover.

Nhược điểm

• Phức tạp về kỹ thuật: ZKP dựa trên các khái niệm mật mã học nâng cao nên hơi khó triển khai và duy trì. Việc tạo và xác minh bằng chứng đòi hỏi hiểu biết sâu về toán học và lập trình.
• Hiệu suất chưa tối ưu trong một số trường hợp: Một số hệ thống ZKP (như zk-STARKs) tạo ra bằng chứng có kích thước lớn và tốn nhiều thời gian xác minh, ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng.
• Yêu cầu "trusted setup": Một số ít ZKP (như zk-SNARKs) yêu cầu độ tin cậy cao trong giai đoạn thiết lập ban đầu. Nếu quá trình này bị lộ hoặc thao túng, cả hệ thống có thể bị tấn công.
• Chi phí tính toán cao: Việc tạo bằng chứng ZKP thường tốn tài nguyên tính toán hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.

Ứng dụng phổ biến của ZKP

Zero-Knowledge Proof đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, phổ biến gồm có:

• Ứng dụng trong blockchain: Zero-Knowledge Proof được sử dụng để bảo vệ quyền riêng tư và tăng khả năng mở rộng. Với các giao dịch riêng tư, ZKP giúp ẩn danh người gửi, người nhận và số tiền mà vẫn đảm bảo tính hợp lệ (như Zcash, Tornado Cash, Aztec Network). Ngoài ra, ZKP là nền tảng của các giải pháp mở rộng như zk-Rollup, giúp xử lý hàng nghìn giao dịch off-chain và chỉ gửi bằng chứng hợp lệ lên blockchain, qua đó giúp giảm phí, tăng tốc độ, nhưng vẫn đảm bảo bảo mật.
• Xác minh danh tính mà không tiết lộ thông tin cá nhân: ZKP cho phép người dùng chứng minh họ đáp ứng một tiêu chí nào đó (ví dụ: đủ 18 tuổi, là công dân hợp pháp, đã hoàn thành KYC) mà không phải tiết lộ toàn bộ thông tin cá nhân như ngày sinh, số CCCD, hay địa chỉ. Đây là ứng dụng quan trọng trong các hệ thống KYC ẩn danh, hệ thống bỏ phiếu điện tử, hoặc cấp phép truy cập tài nguyên hạn chế mà vẫn bảo vệ quyền riêng tư.
• Xác minh tính toán trong môi trường phi tập trung: ZKP cho phép một bên chứng minh rằng họ đã thực hiện đúng một tính toán phức tạp mà không cần kiểm tra lại toàn bộ quá trình. Điều này rất hữu ích trong các hệ thống cloud, AI phi tập trung, hoặc oracle, nơi một bên cung cấp dữ liệu (hoặc tính toán) và bên còn lại chỉ cần xác minh bằng proof.
• Bỏ phiếu điện tử (E-voting): ZKP rất phù hợp để dùng trong các hệ thống bỏ phiếu vì nó đảm bảo được tính riêng tư, minh bạch, và công bằng. Trong đó, phiếu bầu của từng người được xác nhận là hợp lệ mà không cần đến người kiểm phiếu, tất cả đều không thể biết ai đã bầu cho ai.

Tương lai của Zero Knowledge Proof

Zero-Knowledge Proof có tiềm năng phát triển mạnh khi ngày càng nhiều dự án blockchain và Web3 lựa chọn công nghệ này làm nền tảng. Các giao thức zk-Rollup và zkEVM đang dần hoàn thiện công nghệ với cốt lõi là ZKP, giúp mở rộng quy mô blockchain mà không đánh đổi bảo mật. Một số ví dụ tiêu biểu:

• zkSync (đứng sau là Matter Labs), một giải pháp mở rộng Layer 2 trên Ethereum sử dụng công nghệ ZK-Rollup, có tính tương thích cao với EVM. Dự án từng nhận được rất nhiều sự quan tâm từ cộng đồng và được hỗ trợ bởi nhiều VCs hàng đầu.
• StarkWare, công ty đứng sau StarkNet (Ethereum L2) và StarkEx (ZK-Rollup riêng dành cho các ứng dụng như dYdX, Sorare, Immutable X). Cả 2 giải pháp này đều sử dụng zk-STARKs, với khả năng mở rộng cao và chi phí thấp.
• Polygon Labs cũng đầu tư mạnh vào ZKP thông qua các sản phẩm như Polygon zkEVM và Polygon Miden. Đặc biệt, Polygon đã mua lại Mir Protocol để thúc đẩy mảng này. Mục tiêu của họ là xây dựng hệ sinh thái đa dạng sử dụng ZKP, đảm bảo vừa mở rộng tốt vừa tương thích với Ethereum.

Hơn nữa, trong bối cảnh người dùng ngày càng quan tâm đến quyền riêng tư, ZKP hứa hẹn sẽ là công cụ then chốt trong việc kiểm soát dữ liệu cá nhân. Trong dài hạn, ZKP có thể vượt ra ngoài phạm vi blockchain để ứng dụng trong các lĩnh vực như tài chính, chính phủ điện tử, y tế, hoặc bảo mật đăng nhập. Bởi vì đây là những nơi mà người dùng có thể xác minh danh tính, quyền truy cập hoặc thông tin nhạy cảm mà không cần tiết lộ bí mật.

Tuy nhiên, ZKP cần được tối ưu để trở nên dễ tích hợp hơn, giảm chi phí tạo bằng chứng và tăng tốc thời gian xác minh. Nếu điều này xảy ra, công nghệ ZKP có thể trở thành một lớp hạ tầng mặc định cho thế giới số, nơi bảo mật và riêng tư là tiêu chuẩn hàng đầu.

FAQ

ZK-Rollup là gì và liên quan gì đến ZKP?

ZK-Rollup là giải pháp mở rộng Layer 2 dùng Zero-Knowledge Proof (ZKP) để chứng minh các giao dịch off chain là hợp lệ mà không cần gửi toàn bộ dữ liệu lên blockchain.

ZKP có thể dùng để bảo vệ quyền riêng tư không?

Có. ZKP cho phép xác minh thông tin (như giao dịch, danh tính) mà không cần tiết lộ dữ liệu gốc, giúp bảo vệ quyền riêng tư người dùng.

ZKP có khó tích hợp vào ứng dụng thực tế không?

Từng rất phức tạp, nhưng hiện nay việc tích hợp ZKP đang dần dễ hơn nhờ các công cụ như thư viện, SDK và nền tảng hỗ trợ như zkSync, Polygon CDK hay Noir.

Những dự án nổi bật nào đang dùng ZKP?

Một số dự án tiêu biểu có thể kể đến như Zcash, Aztec (giao dịch riêng tư), zkSync và Starknet (zk-Rollup), Mina (blockchain siêu nhẹ dùng ZKP).