Kurz erklärt: zk-STARK (Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge) ist ein kryptografisches Beweissystem, mit dem die korrekte Ausführung einer Berechnung nachgewiesen werden kann, ohne die Eingabedaten offenzulegen und ohne ein vertrauenswürdiges Anfangs-Setup. Es wird vor allem zur Skalierung von Blockchains eingesetzt.
Herkunft und Einordnung
Das zk-STARK-Verfahren wurde 2018 in einer Arbeit von Eli Ben-Sasson, Iddo Bentov, Yinon Horesh und Michael Riabzev vorgestellt. Ben-Sasson gehört auch zu den Mitgründern von StarkWare, einem Unternehmen, das die Technologie kommerziell für Ethereum-Skalierungslösungen weiterentwickelt.
zk-STARK ist eine Weiterentwicklung im Feld der Zero-Knowledge-Proofs und wird häufig als Alternative zu zk-SNARK genannt. Das Akronym steht für die vier zentralen Eigenschaften: Skalierbarkeit (Scalable), Transparenz (Transparent), Beweischarakter (Argument) und Wissensnachweis (Knowledge).
Technische Merkmale
zk-STARKs unterscheiden sich von zk-SNARKs vor allem in drei Punkten:
- Kein Trusted Setup: zk-STARKs benötigen keine vertrauenswürdige Setup-Zeremonie. Sie stützen sich ausschliesslich auf kryptografische Hashfunktionen und öffentlich überprüfbare Zufälligkeit (Transparenz). Damit entfällt das Risiko sogenannter „toxischer Abfälle“, also geheimer Parameter, deren Kenntnis das System kompromittieren könnte.
- Quantenresistenz: Da zk-STARKs auf kollisionsresistenten Hashfunktionen statt auf elliptischen Kurven beruhen, gelten sie nach heutigem Kenntnisstand als widerstandsfähig gegen Angriffe durch Quantencomputer.
- Skalierbarkeit: Der Aufwand zur Verifikation wächst nur langsam (quasi-linear) mit der Grösse der Berechnung, wodurch sich sehr große Berechnungen effizient prüfen lassen.
Ein Nachteil ist die vergleichsweise große Beweisgrösse: zk-STARK-Beweise sind typischerweise deutlich umfangreicher als zk-SNARK-Beweise, was höhere Datenkosten auf der Blockchain verursachen kann.
Verbindungen und Anwendungen
zk-STARKs bilden die technische Grundlage mehrerer Layer-2-Skalierungslösungen für Ethereum:
- StarkEx und StarkNet von StarkWare nutzen zk-STARKs, um Transaktionen ausserhalb der Hauptkette zu bündeln und lediglich einen Gültigkeitsbeweis auf der Ethereum-Kette zu verankern (ZK-Rollup).
- Die zugehörige Programmiersprache Cairo wurde entwickelt, um beweisbare Programme für STARK-Systeme zu schreiben.
Damit adressiert zk-STARK dieselben Ziele wie andere Zero-Knowledge-Technologien: höhere Transaktionsdurchsätze und geringere Gebühren bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit der Basiskette.
Abgrenzung und Kritikpunkte
Die Wahl zwischen zk-STARK und zk-SNARK ist ein technischer Abwägungsprozess: zk-SNARKs bieten sehr kleine Beweise und schnelle Verifikation, benötigen aber ein Trusted Setup und beruhen auf Annahmen, die durch Quantencomputer gefährdet sein könnten. zk-STARKs verzichten auf das Setup und gelten als quantenresistent, erzeugen jedoch grössere Beweise. Beide Systeme sind Gegenstand fortlaufender Forschung, und ihre praktische Sicherheit hängt massgeblich von der korrekten Implementierung ab.
Häufige Fragen
Wofür steht die Abkürzung zk-STARK?
Für Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge, also ein skalierbares, transparentes Zero-Knowledge-Beweissystem.
Was ist der Hauptvorteil gegenüber zk-SNARK?
zk-STARKs benötigen kein vertrauenswürdiges Setup und gelten als quantenresistent, da sie auf Hashfunktionen statt auf elliptischen Kurven beruhen.
Wer hat zk-STARK entwickelt?
Das Verfahren wurde 2018 von Eli Ben-Sasson und Kollegen beschrieben und von dem Unternehmen StarkWare kommerziell weiterentwickelt.
Wo werden zk-STARKs eingesetzt?
Vor allem in Layer-2-Skalierungslösungen für Ethereum wie StarkNet und StarkEx sowie in der Programmiersprache Cairo.
Warum sind zk-STARK-Beweise grösser?
Weil sie auf hashbasierten Konstruktionen beruhen, fallen die Beweise umfangreicher aus als bei zk-SNARK, was höhere Datenkosten verursachen kann.
Zusammenfassung
zk-STARK ist ein Zero-Knowledge-Beweissystem, das die korrekte Ausführung von Berechnungen ohne Offenlegung der Daten und ohne vertrauenswürdiges Setup nachweist. Es gilt als quantenresistent und skalierbar, erzeugt jedoch grössere Beweise als zk-SNARK. Die Technologie ist Grundlage von Ethereum-Layer-2-Lösungen wie StarkNet.
Weiterführende Quellen
- Ben-Sasson et al.: Scalable, transparent, and post-quantum secure computational integrity (2018): eprint.iacr.org
- Wikipedia: Zero-Knowledge-Beweis: de.wikipedia.org