Kernaussagen

  • Ein Zero-Knowledge-Beweis (ZKP) ist eine kryptografische Methode, die es einer Partei ermöglicht, zu beweisen, dass eine Aussage wahr ist, ohne dabei alle zugrunde liegenden Daten offenzulegen.

  • ZKPs verbessern die Privatsphäre und Sicherheit in der Blockchain, indem Transaktionen verifiziert werden können, ohne sensible Details wie Wallet-Adressen oder Beträge offenzulegen.

  • zk-SNARKs und zk-STARKs sind die beiden wichtigsten Arten von Zero-Knowledge-Beweisen, die heute im Einsatz sind, mit unterschiedlichen Abwägungen bei Geschwindigkeit, Beweisgröße und der Notwendigkeit eines vertrauenswürdigen Setups.

  • zk-Rollups verwenden ZKPs, um viele Transaktionen außerhalb der Kette zu bündeln und anschließend einen einzigen kryptografischen Beweis on-chain zu übermitteln, wodurch der Durchsatz steigt und die Gebühren sinken.

  • Zu den praxisnahen Anwendungen von ZKPs gehören private Transaktionen, die Verifizierung von Identitäten, dezentrales Finanzwesen (DeFi) und Cross-Chain-Interoperabilität.

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Einleitung

Blockchains sind auf Transparenz ausgelegt. Jede Transaktion in einem öffentlichen Netzwerk ist für jeden sichtbar, der sie sich ansehen möchte. Diese Transparenz schafft Vertrauen, bringt aber auch eine grundlegende Spannung mit sich: Manchmal müssen Sie etwas verifizieren, ohne die zugrunde liegenden Daten offenzulegen.

Zero-Knowledge-Beweise lösen dieses Problem. Sie ermöglichen es einer Partei, dem sogenannten Prover, eine andere Partei, den sogenannten Verifizierer, davon zu überzeugen, dass eine Aussage wahr ist – ohne Informationen preiszugeben, die über diese eine Tatsache hinausgehen. Der Name kommt direkt aus der Idee: Der Verifizierer gewinnt kein Wissen über die zugrunde liegenden Daten, kann aber sicher sein, dass die Behauptung korrekt ist.

ZKPs waren seit den 1980er-Jahren ein theoretisches Konzept in der Kryptografie, doch praktische Implementierungen in der Blockchain wurden erst in den 2010er-Jahren realisierbar. Seitdem gehören sie zu den am aktivsten weiterentwickelten Technologien in diesem Bereich und bilden die Grundlage für Privacy Coins, Layer-2-Lösungen zur Skalierung und Identitätssysteme.

So funktionieren Zero-Knowledge-Beweise

Im Kern ist ein Zero-Knowledge-Beweis ein mathematisches Protokoll, bei dem der Prover einen Beweis erzeugt, der eine Reihe von Bedingungen erfüllt, die der Verifizierer prüfen kann. Der Verifizierer kann bestätigen, dass der Beweis korrekt ist, ohne in der Lage zu sein, die ursprüngliche Eingabe rückwärts zu erschließen (Reverse Engineering).

Eine klassische Analogie ist ein Tunnel mit einer verschlossenen Tür in der Mitte. Ein Prover, der den Türcode kennt, kann sich von einer Seite aus konsistent in den Tunnel begeben und auf der anderen Seite wieder herauskommen. Ein Verifizierer, der von außen zuschaut, sieht den Beweis, ohne jemals den Code selbst zu erfahren.

Damit ein ZKP gültig ist, muss er drei Eigenschaften erfüllen. Vollständigkeit bedeutet, dass ein ehrlicher Prover den Verifizierer immer überzeugen kann. Soundness bedeutet, dass ein unehrlicher Prover den Verifizierer nicht von einer falschen Aussage überzeugen kann – außer mit vernachlässigbar geringer Wahrscheinlichkeit. Zero-Knowledge bedeutet, dass der Verifizierer nichts weiter erfährt als die Frage, ob die Aussage wahr ist.

In der Praxis sind die meisten Blockchain-ZKPs nicht-interaktiv: Der Prover erzeugt einen Beweis als einzelnes Datenstück, und der Verifizierer überprüft ihn, ohne Hin- und Her zwischen den Parteien. Das macht ZKPs praktisch für den Einsatz in On-Chain-Smart-Contracts und Layer-2-Protokollen.

zk-SNARKs und zk-STARKs

Die beiden am häufigsten verwendeten Arten von Zero-Knowledge-Beweisen in der Blockchain sind zk-SNARKs und zk-STARKs. Beide ermöglichen, dass Off-Chain-Berechnungen On-Chain verifiziert werden, unterscheiden sich jedoch in ihrem technischen Ansatz.

zk-SNARKs

Zero-Knowledge-Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge (zk-SNARK) Beweise sind kompakt und schnell zu verifizieren. Deshalb wurden sie in frühen ZKP-Anwendungen populär – etwa bei Zcash-privaten Transaktionen und bei der Verifizierung von Ethereum-Smart-Contracts.

Der wichtigste Nachteil ist, dass zk-SNARKs ein Trusted Setup erfordern: eine Zeremonie, bei der ein Satz kryptografischer Parameter erzeugt wird. Wenn dieses Setup kompromittiert wird, könnte ein Angreifer möglicherweise betrügerische Beweise erzeugen. Viele Projekte nutzen Multi-Party-Computation-Zeremonien, um dieses Risiko zu minimieren.

zk-STARKs

Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge (zk-STARK) Beweise benötigen kein Trusted Setup, wodurch das Risiko eines Trusted Setup entfällt. Außerdem gelten sie als widerstandsfähiger gegenüber Angriffen durch Quantencomputing als zk-SNARKs. Der Trade-off ist, dass zk-STARK-Beweise größer ausfallen, was zu höheren Kosten für die On-Chain-Verifizierung führen kann. StarkNet ist ein bemerkenswertes Produktionsnetzwerk, das zk-STARKs im großen Maßstab nutzt.

zk-Rollups und Blockchain-Skalierung

Eine der bedeutendsten Anwendungen von ZKPs sind zk-Rollups – eine Layer-2-Lösung zur Skalierung von Blockchains. Ein zk-Rollup verarbeitet Hunderte von Transaktionen off-chain, bündelt sie zu einem Batch und reicht dann einen einzelnen ZKP an die Main Chain ein, um zu beweisen, dass all diese Transaktionen gültig sind.

Dieser Ansatz kann den Transaktionsdurchsatz erheblich erhöhen und dabei die Sicherheit der Basisschicht beibehalten. Die wichtigste Alternative sind optimistic rollups: Dort wird angenommen, dass Transaktionen gültig sind, sofern sie nicht angefochten werden, was eine Auszahlungsfrist (Withdrawal Delay) einführt. zk-Rollups haben diese Verzögerung nicht, weil die Gültigkeit zum Zeitpunkt der Veröffentlichung kryptografisch nachgewiesen wird.

EIP-4844 von Ethereum, das im März 2024 aktiviert wurde, führte "blobs" als dedizierte Datenschicht für Layer-1- und Layer-2-Rollup-Daten ein. Dadurch wurden die Kosten für das Posten von ZKP-Batches On-Chain deutlich gesenkt, sodass zk-Rollups für Endnutzer erheblich günstiger wurden. Mehrere zkEVM-Netzwerke, darunter zkSync Era, Polygon zkEVM, Scroll und Taiko, sind mittlerweile im Produktiveinsatz aktiv.

Anwendungsfälle für Zero-Knowledge-Beweise

Private Transaktionen

ZKPs können Absenderadressen, Empfängeradressen und Transaktionsbeträge in öffentlichen Blockchains verschleiern. Zcash hat dies mit geschützten Transaktionen (shielded transactions) mithilfe von zk-SNARKs vorangetrieben, sodass Nutzer Transaktionen durchführen können, ohne ihre finanziellen Aktivitäten der öffentlichen Ledger-Übersicht offenzulegen.

Digitale Identitätsprüfung

ZKPs ermöglichen es einem Nutzer, zu beweisen, dass er eine Anforderung erfüllt – etwa über 18 Jahre alt zu sein oder einen gültigen Nachweis zu besitzen – ohne die zugrunde liegenden Dokumente offenzulegen. Das hat Anwendungen in dezentralen Identitätssystemen, bei der KYC-Compliance und bei der Zugangssteuerung.

DeFi-Privatsphäre

Dezentrale Finanzprotokolle können ZKPs nutzen, um privates Verleihen, Leihen und Trading zu ermöglichen. Nutzer können nachweisen, dass sie über ausreichend Sicherheiten verfügen oder die Kreditvergabekriterien erfüllen, ohne ihre vollständige Wallet-Historie oder ihren Kontostand offenzulegen.

Cross-Chain-Interoperabilität

ZKPs können den Zustand einer Blockchain gegenüber einer anderen verifizieren, ohne einen vollständigen Knoten zu benötigen. So lassen sich Cross-Chain-Bridges und Interoperabilitätsebenen aufbauen, die kryptografische Sicherheit übernehmen – statt sich auf vertrauenswürdige Vermittler zu verlassen.

Einschränkungen von Zero-Knowledge-Beweisen

ZKPs sind keine vollständige Lösung für alle Herausforderungen in Bezug auf Privatsphäre und Skalierung. Das Erzeugen eines ZKPs erfordert erhebliche Rechenleistung, was höhere Hardwareanforderungen für Prover bedeuten kann. Das verbessert sich, während die Software zum Beweisen reift, bleibt aber insbesondere für kleinere Netzwerke ein zu bedenkender Faktor.

Die Anforderung an ein Trusted Setup für zk-SNARKs führt zu einer Vertrauensannahme, die manche Entwickler und Nutzer lieber vermeiden möchten. Und obwohl ZKPs in ihren Soundness-Garantien probabilistisch sind – das heißt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein falscher Beweis die Verifizierung besteht, zwar extrem klein, aber nicht null ist – wird dies in der Regel für praktische Zwecke als akzeptabel angesehen.

Schließlich ist die ZKP-Technologie noch immer im Reifungsprozess. Das Auditing von ZKP-Schaltungen ist komplex und erfordert spezialisiertes Fachwissen. Mehrere hochkarätige Bugs wurden in ZKP-Implementierungen gefunden, was die Bedeutung einer strengen Prüfung unterstreicht, bevor sie in Produktionssystemen eingesetzt werden.

FAQ

Was ist ein Zero-Knowledge-Beweis in einfachen Worten?

Ein Zero-Knowledge-Beweis ist eine Möglichkeit nachzuweisen, dass man etwas weiß, ohne offenzulegen, was es ist. Der Prover überzeugt den Verifizierer davon, dass eine Aussage wahr ist, und der Verifizierer lernt nichts weiter – außer dass die Behauptung gilt.

Was ist der Unterschied zwischen zk-SNARKs und zk-STARKs?

zk-SNARKs erzeugen kleinere Beweise und lassen sich schnell verifizieren, erfordern jedoch ein Trusted Setup. zk-STARKs benötigen kein Trusted Setup und sind zudem quantenresistenter, produzieren aber größere Beweise. Beide werden in Produktions-Blockchain-Systemen eingesetzt.

Wie werden Zero-Knowledge-Beweise zur Skalierung in Ethereum verwendet?

zk-Rollups nutzen Zero-Knowledge-Beweise, um viele Transaktionen außerhalb der Kette (off-chain) zu bündeln, und reichen dann einen einzelnen Beweis zur Verifizierung bei Ethereum ein. Das erhöht den Durchsatz und senkt die Transaktionsgebühren, während die Sicherheit der Ethereum-Basisschicht erhalten bleibt.

Sind Zero-Knowledge-Beweise vollständig sicher?

ZKPs bieten sehr starke kryptografische Garantien, sind jedoch nicht unfehlbar. Der Schritt des Trusted Setup bei zk-SNARKs führt eine Vertrauensannahme ein. In manchen Projekten wurden außerdem Implementierungsfehler in ZKP-Schaltungen gefunden. Wie bei jedem kryptografischen System hängt die Sicherheit von einer korrekten Implementierung und einer fortlaufenden Überprüfung ab.

Abschließende Gedanken

Zero-Knowledge-Beweise sind von einem theoretischen Konzept zu einem zentralen Baustein moderner Blockchain-Infrastruktur geworden. Sie ermöglichen Privatsphäre, verbessern die Skalierbarkeit und machen neue Anwendungen möglich – über DeFi, Identität und Interoperabilität hinweg.

Die Technologie entwickelt sich weiterhin schnell. zkEVM-Netzwerke sind mittlerweile live auf Ethereum, die Kosten sinken, und neue ZKP-basierte Anwendungen werden regelmäßig bereitgestellt. ZKPs werden in den kommenden Jahren sehr wahrscheinlich eine zunehmend zentrale Rolle dabei spielen, wie Blockchains Privatsphäre und Skalierung handhaben.

Weiterführende Lektüre

  • Erklärung von zk-SNARKs und zk-STARKs

  • Was sind Zk-Rollups? Die Layer-2-Skalierungstechnik

  • Optimistische vs. Zero-Knowledge-Rollups: Was ist der Unterschied?

  • Blockchain Layer 1 vs. Layer 2-Lösungen zur Skalierung

  • Krypto-Transparenz durch Zero-Knowledge-Beweise verbessern


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