zk-SNARKs: Seberapa besar perubahan yang dapat mereka bawa?

Penulis: 0xKira

Kompilasi: Block unicorn

Dalam pola perkembangan kriptografi dan blockchain yang terus-menerus, hampir tidak ada inovasi yang menarik perhatian sebesar bukti tanpa pengetahuan (ZK). Bukti tanpa pengetahuan sebelumnya hanyalah konsep akademis yang sulit dipahami dalam makalah teori ilmu komputer, namun kini telah dengan cepat bergerak dari wacana menjadi jaringan utama, menjadi fondasi infrastruktur kripto generasi berikutnya.

Inti dari bukti nol-pengetahuan adalah tantangan terhadap asumsi yang telah lama ada dalam sistem digital: verifikasi membutuhkan pengungkapan informasi. Baik itu masuk ke aplikasi, memverifikasi identitas, atau mengonfirmasi transaksi, kita selalu harus mengungkapkan informasi tertentu untuk mendapatkan kepercayaan. Teknologi bukti nol-pengetahuan memecahkan trade-off ini, memungkinkan kita untuk membuktikan fakta tentang identitas, data, atau perhitungan tanpa mengungkapkan informasi dasar.

Selain perlindungan privasi, bukti nol-pengetahuan dapat mewujudkan skalabilitas, interoperabilitas, dan verifikasi tanpa kepercayaan di seluruh dunia. Dari ZK rollup yang memperluas throughput blockchain, hingga sistem identitas dan kepatuhan yang melindungi privasi, bukti nol-pengetahuan sedang mendefinisikan kembali kemungkinan dalam bidang kripto.

Ringkasan

Bukti Zero-Knowledge (ZK) dapat memverifikasi informasi seperti identitas, saldo, atau validitas transaksi tanpa mengungkapkan data dasar.

Meskipun teknologi bukti nol pengetahuan pertama kali diusulkan pada tahun 1980-an, teknologi ini baru menjadi praktis belakangan ini berkat kemajuan dalam komputasi, kriptografi, dan teknologi blockchain.

ZK proof mendukung transaksi pribadi, identitas terdesentralisasi, pemungutan suara DAO, dan interoperabilitas lintas rantai, sekaligus menggabungkan ribuan transaksi menjadi satu bukti melalui ZK Rollup, sehingga memperluas skala Ethereum.

Meskipun memiliki beban perhitungan yang besar, algoritma ZK rollup memiliki finalitas instan, biaya yang lebih rendah, dan keamanan yang lebih kuat, menjadikannya lebih unggul dibandingkan solusi jenis Optimistic.

Apa itu bukti nol-pengetahuan?

Bukti pengetahuan nol (ZK) adalah metode kriptografi yang memungkinkan satu pihak (pembuktian) untuk membuktikan kepada pihak lain (verifikator) bahwa pernyataan tertentu adalah benar, tanpa mengungkapkan mengapa pernyataan itu benar atau informasi tambahan lainnya.

Misalnya, Alice ingin membuktikan kepada Bob bahwa dia tahu kata sandi untuk pintu tersembunyi di gua, tetapi dia tidak bisa memberitahunya kata sandi itu secara langsung. Dia masuk ke gua, membuka pintu, dan kemudian muncul dari sisi lain. Bob tidak bisa melihat bagaimana dia melakukannya, tetapi dia tahu bahwa Alice pasti tahu kata sandinya.

Metafora klasik dari bukti nol pengetahuan - Chainlink

Secara tradisional, verifikasi memerlukan pengungkapan beberapa informasi: seperti informasi identitas, kata sandi, atau data. Bukti nol-pengetahuan mengubah pola ini, memungkinkan untuk membuktikan identitas, keaslian, atau kepemilikan tanpa mengungkapkan data itu sendiri.

Dalam sistem digital, ini berarti Anda dapat:

Dapat membuktikan bahwa Anda telah berusia 18 tahun tanpa harus mengungkapkan tanggal lahir.

Membuktikan kecukupan dana tanpa mengungkapkan saldo dompet

Membuktikan validitas transaksi tanpa mengungkapkan isi transaksi.

Kemampuan “bisa membuktikan tanpa mengungkapkan informasi” adalah dasar dari sistem yang menjaga privasi, keamanan, dan transparansi, dan bukti nol-pengetahuan dengan tepat dapat memenuhi kedua karakteristik ini.

Bagaimana cara kerjanya?

Bukti nol-pengetahuan bergantung pada struktur matematika yang kompleks dan primitif kriptografi, tetapi secara konseptual, mereka dapat diringkas menjadi tiga atribut dasar:

Integritas (Completeness): Jika pernyataan ini benar, pembuktian yang jujur dapat meyakinkan verifier bahwa pernyataan itu benar.

Keandalan (Soundness): Jika pernyataan itu salah, maka tidak ada pembuktian yang curang yang dapat meyakinkan pemverifikasi untuk mempercayai bahwa pernyataan tersebut salah.

Pengetahuan Nol (Zero-Knowledge): Verifier tidak akan mengetahui informasi lain selain bahwa pernyataan tersebut benar.

Sebenarnya, ada beberapa jenis bukti nol pengetahuan, tetapi saat ini fokus diskusi terutama terletak pada dua jenis: bukti nol pengetahuan interaktif dan non-interaktif.

Dalam desain awal, bukti nol-pengetahuan bersifat interaktif. Pemberi bukti dan verifier berkomunikasi dua arah, di mana verifier mengajukan tantangan acak, dan pemberi bukti memberikan bukti sebagai tanggapan, bersama-sama membangun keyakinan pada kebenaran suatu pernyataan. Meskipun model ini secara teoritis efektif, dalam lingkungan blockchain, pihak-pihak sering kali sulit untuk berinteraksi secara real-time, sehingga efisiensinya tidak tinggi.

Untuk meningkatkan kegunaannya, para ahli kriptografi mengembangkan bukti nol interaktif non-interaktif (NIZK), yang hanya memerlukan pembuktian untuk mengirimkan sebuah pesan kepada verifier untuk menyelesaikannya. Yang paling terkenal adalah zk-SNARKs, yang dapat menghasilkan bukti yang sangat ringkas dan menyelesaikan verifikasi dalam milidetik. Varian lainnya adalah zk-STARKs, yang tidak memerlukan pengaturan tepercaya dan menyediakan tingkat keamanan pasca kuantum.

Cara kerja zk-SNARKs —— Jaringan Midnight

Pada dasarnya, sistem ini memungkinkan pembuktian untuk menghasilkan “sidik jari” matematis dari perhitungan yang valid. Pengeverifikasi kemudian dapat memeriksa sidik jari tersebut tanpa perlu melakukan perhitungan ulang secara keseluruhan. Inilah sebabnya mengapa mereka sangat kuat dalam skala blockchain: hanya dengan memeriksa satu bukti kriptografi, ribuan transaksi dapat diverifikasi dengan cepat dan biaya rendah.

Kapan bukti nol-pengetahuan ditemukan?

Bukti nol-pengetahuan dapat ditelusuri kembali ke pertengahan tahun 1980-an, ketika peneliti Shafi Goldwasser, Silvio Micali, dan Charles Rackoff memperkenalkan konsep ini dalam makalah perintis mereka “Kompleksitas Pengetahuan dari Sistem Bukti Interaktif” (“The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems”) (1985).

Model teori awal mereka meletakkan dasar untuk inovasi kriptografi selama beberapa dekade berikutnya, tetapi baru pada tahun 2010-an, karena peningkatan efisiensi komputasi dan munculnya teknologi blockchain, bukti tanpa pengetahuan menjadi praktis.

Proyek seperti Zcash diluncurkan pada tahun 2016, menjadi salah satu proyek pertama yang menerapkan bukti nol pengetahuan secara besar-besaran, menggunakan zk-SNARKs untuk melakukan transaksi pribadi di buku besar publik. Sejak itu, teknologi bukti nol pengetahuan telah berkembang pesat, menjadi lebih efisien, dengan kecepatan pembuatan bukti yang lebih cepat, dan munculnya kerangka kerja baru (seperti zk-STARKs, Halo, dan PLONK) yang membuatnya lebih mudah digunakan oleh pengembang dan lebih cocok untuk skala sistem yang nyata.

Apa saja aplikasi dari bukti nol-pengetahuan di bidang kriptografi?

Aplikasi yang paling intuitif dan paling dikenal adalah transaksi perlindungan privasi. Bukti nol-pengetahuan memungkinkan pengguna untuk melakukan transaksi di blockchain publik tanpa mengungkapkan informasi sensitif seperti jumlah transaksi atau pihak lawan. Zcash adalah pelopor teknologi ini, yang memperkenalkan mekanisme “transaksi terlindungi” (shielded transactions) yang melindungi privasi pengguna sekaligus mempertahankan integritas yang dapat diverifikasi di blockchain. Berdasarkan hal ini, proyek-proyek seperti Tornado Cash, Aztec, dan Railgun telah memperluas teknologi bukti nol-pengetahuan ke Ethereum, sehingga memungkinkan interaksi kontrak pintar yang bersifat pribadi dan transaksi DeFi yang rahasia.

Cara kerja Tornado Cash - Elliptic

Selain perlindungan privasi, bukti tanpa pengetahuan sedang merevolusi bidang identitas digital dan kepatuhan regulasi. Ini mendukung pengungkapan selektif, memungkinkan pengguna untuk membuktikan fakta tertentu tentang diri mereka tanpa mengungkapkan data pribadi. Misalnya, pengguna dapat membuktikan bahwa mereka telah melewati verifikasi KYC tanpa mengungkapkan nama mereka, atau mengkonfirmasi bahwa mereka tidak ada dalam daftar sanksi tanpa memberikan informasi identitas. Prinsip ini adalah dasar dari sistem identitas tanpa pengetahuan yang muncul seperti bukti kepribadian Worldcoin, Polygon ID, dan zkPass.

Polygon ID: Sebuah sistem identitas yang mendukung bukti tanpa pengetahuan - Polygon

Bukti nol-pengetahuan juga memiliki nilai aplikasi yang kuat dalam pemungutan suara dan tata kelola. Dalam organisasi otonom terdesentralisasi (DAO), mereka dapat memfasilitasi proses pemungutan suara yang anonim tetapi dapat diverifikasi, memastikan hasil yang transparan sambil melindungi privasi identitas pemilih individu. Ini membantu mengurangi risiko paksaan atau pembalasan, mendorong partisipasi yang lebih jujur dalam pengambilan keputusan kolektif, sehingga memperkuat prinsip-prinsip demokrasi dalam tata kelola terdesentralisasi.

Keunggulan lain dari bukti nol-pengetahuan terletak pada bidang verifikasi lintas rantai. Dalam lingkungan multi-rantai, secara tradisional, membangun kepercayaan di antara blockchain yang berbeda memerlukan lembaga perantara atau mekanisme jembatan yang kompleks. Bukti nol-pengetahuan menawarkan solusi yang lebih elegan: bukti yang dihasilkan di satu rantai dapat membuktikan keabsahan statusnya, sementara rantai lain dapat secara independen memverifikasi bukti tersebut. Ini mewujudkan interoperabilitas tanpa kepercayaan, memungkinkan blockchain yang berbeda berkomunikasi secara aman tanpa bergantung pada verifikator terpusat.

Teknologi ZK juga sedang meningkatkan skalabilitas Ethereum melalui ZK Rollup. Dengan mengemas ribuan transaksi ke dalam satu bukti kriptografi, Rollup ini secara signifikan mengurangi beban data di on-chain sambil memastikan keamanan. Hasilnya adalah kecepatan pemrosesan transaksi yang lebih cepat, biaya yang lebih rendah, dan efisiensi yang lebih tinggi, yang membangun fondasi bagi Ethereum untuk menangani aplikasi berskala besar tanpa mengorbankan karakter desentralisasinya.

Penjelasan ZK Rollup

Di antara semua aplikasi yang berbasis bukti nol pengetahuan, ZK rollup tanpa diragukan lagi adalah yang paling transformatif. Mereka menyelesaikan salah satu tantangan terbesar di bidang cryptocurrency: skalabilitas blockchain.

Sejak lahirnya teknologi blockchain, semua blockchain menghadapi tiga tantangan besar blockchain: yaitu semua blockchain hanya dapat memenuhi dua dari tiga atribut inti yaitu keamanan, skalabilitas, dan desentralisasi. Blockchain seperti Ethereum meskipun aman dan terdesentralisasi, tetapi kecepatannya masih sangat lambat dan biayanya mahal. Setiap transaksi harus divalidasi oleh semua node, yang menyebabkan kemacetan, membatasi throughput, dan meningkatkan biaya gas, yang secara serius mengurangi kegunaan blockchain.

Rollup adalah solusi Layer-2 yang menjalankan transaksi di luar rantai, kemudian mempublikasikan informasi ringkasan kembali ke rantai utama atau Layer-1 (biasanya Ethereum). Rollup terutama dibagi menjadi dua jenis: Optimistic rollup dan ZK rollup.

Dalam ZK Rollup, ratusan hingga ribuan transaksi off-chain dikemas bersama. Pembuktian menghasilkan bukti nol-pengetahuan (juga dikenal sebagai bukti validitas) yang menunjukkan bahwa semua transaksi yang dikemas memenuhi aturan blockchain. Kemudian, bukti tunggal ini diserahkan ke main chain, yang dapat memverifikasinya dengan cepat dan pasti.

Cara Kerja ZK Rollup - Messari

Desain ini secara signifikan mengurangi jumlah data dan beban komputasi Layer-1, sambil mempertahankan jaminan keamanan yang sama dengan memproses setiap transaksi secara terpisah, sehingga menghilangkan hambatan kecepatan dan skala Layer-1.

Beberapa proyek perwakilan ZK rollup mencakup:

zkSync Era: Dikembangkan oleh Matter Labs, menggunakan zk-SNARKs untuk mencapai finalitas cepat.

StarkNet: Dibangun di atas zk-STARKs, menekankan skalabilitas dan transparansi

Polygon zkEVM: Implementasi zero-knowledge dari Ethereum Virtual Machine (EVM), yang memungkinkan kompatibilitas penuh dengan kontrak pintar yang ada di Ethereum.

Lighter: sebuah platform DEX perpetual yang dibangun berdasarkan ZK rollup kustom, menggunakan zk-SNARKs, lebih tepatnya adalah Plonky2.

Keuntungan ZK Rollup

Dengan mengompresi ribuan transaksi menjadi satu bukti kriptografi, ZK rollups dapat secara signifikan meningkatkan throughput, memungkinkan blockchain seperti Ethereum untuk menangani lebih banyak aktivitas tanpa mengorbankan desentralisasi atau keamanan.

Keamanan adalah keuntungan kunci lainnya. Berbeda dengan Optimistic rollup yang bergantung pada insentif ekonomi dan periode tantangan selama seminggu untuk mendeteksi penipuan, ZK rollup menggunakan bukti validitas matematis untuk menjamin kebenaran sebelumnya. Setelah bukti diverifikasi di blockchain, transaksi dasar menjadi final dan tidak dapat diubah, sehingga menghilangkan keterlambatan dan ketidakpastian.

Ini juga berarti kecepatan konfirmasi yang lebih cepat. Transaksi dalam ZK rollup akan segera diselesaikan setelah buktinya diverifikasi, dibandingkan dengan waktu tunggu yang umum terjadi pada sistem Optimistic, pengguna hampir dapat langsung mendapatkan hasil akhir.

Biaya yang efektif adalah keuntungan utama lainnya. Karena ZK Rollups hanya mengirimkan sejumlah kecil data ke blockchain Layer-1, biaya Gas secara signifikan berkurang, membuat biaya bagi pengguna dan aplikasi yang berjalan di Ethereum menjadi lebih rendah.

Lebih menggembirakan lagi, ZK rollup membuka pintu untuk meningkatkan perlindungan privasi. Karena dibangun di atas kriptografi zero-knowledge, secara teori dapat mengintegrasikan kerahasiaan langsung ke dalam rollup itu sendiri, sehingga memungkinkan transaksi yang bersifat pribadi dan dapat diverifikasi dalam skala besar.

Pembatasan utama saat ini terletak pada kebutuhan komputasi. Menghasilkan bukti nol-pengetahuan masih memerlukan sumber daya yang besar, memerlukan perangkat keras yang kuat dan teknologi kriptografi yang canggih. Namun, kemajuan yang berkelanjutan, terutama dalam percepatan perangkat keras, desain sirkuit, dan kemajuan bukti rekursif, secara bertahap menurunkan biaya ini, sehingga efisiensi setiap generasi ZK rollup semakin tinggi.

Perbandingan dengan Optimistic Rollup

Optimistic rollup, seperti Arbitrum dan Optimism, mengikuti filosofi yang berbeda. Mereka menganggap semua transaksi off-chain adalah valid secara default. Hanya ketika seseorang mempertanyakan asumsi ini, sistem akan meminta “bukti penipuan” untuk memverifikasi sengketa, dan proses ini biasanya memerlukan waktu sekitar seminggu. Model ini berjalan baik dalam praktik, tetapi menyebabkan keterlambatan dalam konfirmasi akhir transaksi dan bergantung pada mekanisme insentif untuk mendorong peserta menemukan dan melaporkan aktivitas yang tidak valid.

Sementara ZK rollup menyertakan bukti validitas zero-knowledge untuk setiap batch transaksi, yang secara matematis memastikan kebenarannya sebelum ditulis ke rantai utama, sehingga memberikan finalitas instan dan jaminan keamanan yang lebih kuat, tetapi juga membawa kompleksitas teknis yang lebih tinggi dan beban komputasi yang lebih besar.

Pada dasarnya, kedua model ini mewakili trade-off yang berbeda. Optimistic Rollup lebih mudah diimplementasikan, dan karena kesederhanaannya serta kompatibilitas penuh dengan Ethereum Virtual Machine (EVM), saat ini mendominasi bidang Layer-2 di Ethereum. ZK rollup lebih kompleks, memerlukan lebih banyak perhitungan, tetapi menawarkan kecepatan penyelesaian yang lebih cepat, biaya yang lebih rendah, dan potensi privasi yang terintegrasi.

Kesimpulan

Bukti nol-pengetahuan mewakili perubahan paradigma dalam cara kita mempercayai, menjaga privasi, dan memverifikasi dalam sistem digital. Teori kriptografi abstrak yang berasal dari tahun 1980-an ini kini menjadi salah satu teknologi paling menjanjikan yang mendorong perkembangan infrastruktur terdesentralisasi generasi berikutnya.

Dalam bidang cryptocurrency, bukti tanpa pengetahuan mendukung transaksi pribadi, identitas terdesentralisasi, interoperabilitas lintas rantai, dan yang paling penting, arsitektur rollup yang skalabel, yang dapat meningkatkan throughput secara signifikan sambil mempertahankan tingkat keamanan seperti Ethereum. Ruang lingkup aplikasinya juga melampaui blockchain, meluas ke bidang keuangan, kecerdasan buatan, dan verifikasi data.

Meskipun aplikasi bukti nol pengetahuan masih berada pada tahap awal yang relatif, jalur perkembangannya sudah jelas. Bukti nol pengetahuan sedang bertransformasi dari teknologi baru di bidang kriptografi menjadi bagian yang tak terhindarkan dari pembangunan infrastruktur. Jika blockchain ingin berkembang ke skala miliaran pengguna sambil menjaga privasi dan desentralisasi, maka bukti nol pengetahuan kemungkinan besar adalah kunci untuk membuka masa depan ini.