Las pruebas de conocimiento cero (ZKP) son herramientas criptográficas que han tenido un gran impacto en la privacidad de los datos dentro de la cadena de bloques.

En esencia, la cadena de bloques adopta la transparencia como uno de sus principios fundamentales; sin embargo, es necesario mantener un delicado equilibrio entre la transparencia y la confidencialidad. Las ZKP se perfilan como una herramienta crucial para alcanzar este equilibrio, ya que permiten a los participantes verificar la titularidad o el cumplimiento sin revelar detalles innecesarios.

Entre los protocolos ZKP más importantes se encuentran los zk-SNARKs, los zk-STARKs y los Bulletproofs. En este artículo se analizarán la estructura, los casos de uso y las consideraciones de seguridad de estos tres tipos de ZKP, destacando cómo cada uno de ellos puede impulsar aplicaciones en los ámbitos de las finanzas, la privacidad y la seguridad gracias a sus características únicas.

Comprender las pruebas de conocimiento cero

Las ZKP permiten que una parte (el demostrador) convenza a otra (el verificador) de que una afirmación es cierta sin revelar ninguna información innecesaria. Desde su introducción en la década de 1980, las ZKP han evolucionado considerablemente y actualmente se utilizan en numerosas aplicaciones que desarrollan soluciones para la protección de la privacidad.

Se rigen por tres principios fundamentales:

• Completitud: Si la proposición es verdadera, un demostrador honesto puede convencer al verificador.
• Solidez: Si la afirmación es falsa, un demostrador deshonesto no puede engañar a un verificador honesto.
• Conocimiento cero: el verificador no obtiene ninguna información más allá de la veracidad de la afirmación.

En el ámbito de las cadenas de bloques, las ZKP contribuyen a aumentar la eficiencia de las transacciones al trasladar las pruebas a redes de capa 2, lo que permite que las cadenas de bloques sigan siendo seguras y escalables sin comprometer la privacidad de los usuarios. Algunos ejemplos de protocolos que utilizan ZKP son Immutable X, dYdX y Polygon.

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zk-SNARKs

Los zk-SNARKs (argumentos de conocimiento sucintos, no interactivos y de conocimiento cero) se utilizan ampliamente en aplicaciones centradas en la privacidad, como Zcash y los zk-rollups basados en Ethereum. Permiten realizar pruebas seguras y no interactivas, pero requieren una «configuración de confianza» para generar los parámetros públicos iniciales (cadena de referencia común o CRS), lo que, de verse comprometida, podría suponer riesgos de seguridad.

Cómo funcionan los zk-SNARKs

Los SNARK utilizan la criptografía de curvas elípticas para generar pruebas compactas en las que un único verificador puede validar la información sin necesidad de múltiples rondas de comunicación de ida y vuelta. Esto hace que los SNARK sean ideales para aplicaciones que requieren transacciones rápidas y de alta frecuencia. Sin embargo, el hecho de que dependan de las curvas elípticas les añade una capa de vulnerabilidades.

Ventajas de los zk-SNARKs:

• Tamaño reducido de las pruebas: las pruebas compactas reducen el consumo de ancho de banda.
• Verificación rápida: ideal para entornos de alta velocidad.
• Versátil: es compatible de forma eficaz con una amplia gama de aplicaciones criptográficas.

Inconvenientes de los zk-SNARKs:

• Requisito de configuración de confianza: una configuración vulnerable puede poner en riesgo la seguridad.
• No es seguro frente a ataques cuánticos: los zk-SNARKs no son resistentes a los ataques cuánticos.

zk-STARK

Los zk-STARK (argumentos de conocimiento transparentes, escalables y de conocimiento cero) son otro tipo de prueba que aborda algunas de las limitaciones de los SNARK al introducir mejoras en la resistencia cuántica y eliminar la necesidad de una configuración de confianza. Los STARK aprovechan las funciones hash para lograr escalabilidad y transparencia, lo que los hace más adecuados para cálculos a gran escala, especialmente en soluciones como el rollup de capa 2 de StarkNet.

Cómo funcionan los zk-STARK

Las pruebas STARK se basan en compromisos polinómicos y funciones hash, en lugar de en curvas elípticas, lo que significa que su estructura les permite gestionar cálculos de mayor envergadura de forma segura, al tiempo que ofrecen solidez frente a las amenazas cuánticas. Sin embargo, las pruebas STARK suelen ser más voluminosas, lo que puede afectar a los requisitos de almacenamiento y ancho de banda.

Ventajas de los zk-STARK:

• Sin configuración de confianza: mayor transparencia y menores riesgos de configuración.
• Seguridad poscuántica: resistente a los ataques de la computación cuántica.
• Escalable para cálculos complejos: adecuado para aplicaciones con gran volumen de datos.

Inconvenientes de los zk-STARK:

• Tamaño de prueba mayor: puede aumentar el consumo de ancho de banda.
• Mayor carga computacional: la generación de pruebas puede requerir muchos recursos.

A prueba de balas

Las «bulletproofs» son pruebas de conocimiento cero (ZKP) no interactivas sin configuraciones de confianza que se desarrollaron inicialmente para realizar pruebas de rango eficientes en transacciones confidenciales. Utilizadas por blockchains centradas en la privacidad, como Monero, las «bulletproofs» mejoran la privacidad de la cadena de bloques al permitir la validación de conocimiento cero de los importes de las transacciones.

Cómo funcionan los «Bulletproofs»

Las pruebas «Bulletproofs» se basan en el problema del logaritmo discreto y en la heurística de Fiat-Shamir, que convierte las pruebas interactivas en un formato no interactivo mediante firmas digitales. Estas pruebas utilizan compromisos de Pedersen para confirmar valores dentro de rangos específicos, lo que garantiza la privacidad al impedir que se revelen los importes de las transacciones.

Ventajas de los «Bulletproofs»:

• Sin configuración de confianza: riesgo reducido en comparación con los protocolos que requieren CRS.
• Pruebas pequeñas: Las «bulletproofs» son compactas, lo que permite ahorrar en almacenamiento y en comisiones por transacción.
• Eficiencia en las transacciones confidenciales: las «bulletproofs» hacen posibles las transacciones confidenciales de Monero, reduciendo el tamaño de los datos y los costes hasta en un 80 %​.

Inconvenientes de los «Bulletproofs»:

• Mayor tiempo de verificación: en comparación con los SNARK, los Bulletproofs tardan más en verificarse.
• Limitaciones en el campo de tiro: Las prendas antibalas son más adecuadas para pruebas en el campo de tiro, lo que limita sus posibilidades de uso más amplias.

Casos prácticos de uso

Las pruebas de conocimiento cero se han convertido en herramientas esenciales en diversos sectores, y cada vez son más las aplicaciones que implementan sus diferentes tipos, tales como:

Transacciones confidenciales: los SNARK, los STARK y los Bulletproofs mejoran la privacidad en las transacciones financieras al ocultar los datos de las mismas al público. Por ejemplo, los SNARK son la base de las transacciones protegidas de Zcash, mientras que los Bulletproofs permiten las transferencias confidenciales de Monero, ocultando los importes de las transacciones sin necesidad de configuraciones de confianza.

Verificación de identidad: Los STARK son ideales para aplicaciones a gran escala que requieren una protección sólida de la privacidad de los datos, como los sistemas de verificación KYC (Know Your Customer). Mediante el uso de zk-STARK, las instituciones pueden validar la identidad de los usuarios sin almacenar datos sensibles, lo que garantiza el cumplimiento normativo y la privacidad de los usuarios.

Transparencia en la cadena de suministro: Los STARK permiten autenticar datos a lo largo de cadenas de suministro complejas sin revelar información confidencial de la empresa. Gracias a las pruebas STARK, las partes pueden validar la procedencia de los productos, garantizando la transparencia sin revelar secretos comerciales.

Comparación técnica de las características de los SNARK, los STARK y los Bulletproofs

A la hora de evaluar los zk-SNARK, los zk-STARK y los Bulletproofs, destacan varios aspectos relacionados con el rendimiento y la seguridad, lo que hace que cada una de estas ZKP sea adecuada para distintos tipos de aplicaciones de cadena de bloques.

1. Complejidad algorítmica
   • Complejidad de la prueba: Tanto los SNARK como los Bulletproofs funcionan con una complejidad de O(N × log(N)), lo cual resulta eficiente para muchas aplicaciones. Los STARK, sin embargo, alcanzan una escalabilidad aún mayor con una complejidad de O(N × poly-log(N)), lo que les permite gestionar cálculos más extensos de forma más eficaz.
   • Complejidad de la verificación: Los SNARK son los más eficientes en cuanto a la verificación, con una complejidad constante de O(1), lo que permite una validación rápida. Los STARK escalan con una complejidad de O(poly-log(N)), mientras que los Bulletproofs son menos eficientes, con una complejidad lineal de O(N).
2. Tamaño de prueba
   • Los SNARK generan las pruebas más pequeñas (aproximadamente 200 bytes por transacción), ideales para entornos con poco ancho de banda. Los zk-STARK generan pruebas significativamente más grandes (aproximadamente 45 kB por transacción), mientras que los Bulletproofs se sitúan entre ambos, con un tamaño de prueba compacto de 1,5 kB.
   • En el caso de conjuntos de datos más grandes (por ejemplo, 10 000 transacciones), los SNARK requieren una configuración muy compleja (tamaño de clave de unos 500 GB), mientras que los STARK y los Bulletproofs mantienen tamaños de prueba relativamente manejables (135 kB y 2,5 kB, respectivamente).
3. Costes del gas
   • Los SNARK consumen menos gas en Ethereum (se estima que unos 600 000 de gas), lo que los hace más recomendables para aplicaciones en cadenas de bloques compatibles con EVM. Los STARK, aunque son escalables, tienen unos costes de gas más elevados (unos 2,5 millones de gas), y los Bulletproofs aún no están optimizados para Ethereum.
4. Requisito de configuración de confianza
   • Los SNARK requieren una configuración de confianza, lo que conlleva riesgos de seguridad si el proceso de configuración se ve comprometido. Tanto los STARK como los Bulletproofs eliminan esta necesidad, lo que mejora la transparencia y la seguridad.
5. Seguridad poscuántica
   • Los STARK son la única opción segura frente a los ataques cuánticos, ya que se basan en funciones hash resistentes a colisiones en lugar de en la criptografía de curvas elípticas, que es vulnerable a los ataques cuánticos. Los SNARK y los Bulletproofs, que se basan en supuestos sobre el logaritmo discreto, acaban siendo vulnerables a estas amenazas futuras.
6. Supuestos criptográficos
   • Los SNARK se basan en supuestos criptográficos sólidos relacionados con las curvas elípticas. Los STARK se basan en supuestos más sencillos y bien conocidos en torno a las funciones hash resistentes a colisiones, mientras que los Bulletproofs se basan en supuestos relacionados con el logaritmo discreto.

Importancia de las auditorías de seguridad para las ZKP

Dada la creciente complejidad y el alcance de las aplicaciones de las ZKP, nunca está de más recalcar la importancia de unas auditorías de seguridad fiables. Las auditorías ayudan a identificar vulnerabilidades en una fase temprana, evitando que los protocolos lancen contratos defectuosos que podrían ser susceptibles de ser explotados, lo que podría dar lugar a pérdidas financieras o de datos catastróficas. Tal y como puso de manifiesto el ataque a PenPie en septiembre de 2024, pasar por alto las vulnerabilidades en los contratos inteligentes puede provocar daños significativos, con la sustracción de millones del protocolo y la erosión de la confianza de los usuarios.

En los sistemas basados en ZKP, las auditorías rigurosas contribuyen a garantizar que:

• Las configuraciones de confianza siguen siendo seguras: en el caso de protocolos como los zk-SNARKs, la auditoría de la ceremonia de configuración de confianza es fundamental para evitar puertas traseras.
• Se abordan las vulnerabilidades no triviales: técnicas como los controles de reentrada y la validación de entradas garantizan que los contratos externos no puedan explotar las funciones del sistema, una medida de seguridad fundamental como quedó demostrado en el incidente de PenPie.
• La supervisión en tiempo real complementa las auditorías previas a la implementación: las herramientas de supervisión continua pueden detectar anomalías en tiempo real, lo que aporta una capa adicional de seguridad.

Una auditoría eficaz requiere revisiones del código tanto automatizadas como manuales, especialmente en el caso de protocolos que gestionan fondos importantes o datos confidenciales. La combinación del análisis automatizado con evaluaciones del código realizadas por expertos, tal y como ofrecen empresas como AuditOne, garantiza una detección y mitigación exhaustivas de las vulnerabilidades. AuditOne puede ayudarte a obtener precisamente este servicio en un entorno fiable y seguro. ¿Quieres saber más? ¡Descubre nuestros servicios!

Perspectivas de futuro de la tecnología ZKP

Es probable que la tecnología ZKP siga evolucionando en respuesta tanto a las amenazas de la computación cuántica como a las crecientes exigencias en materia de privacidad. Es posible que los zk-STARK y los Bulletproofs cobren protagonismo como soluciones resistentes a la computación cuántica, mientras que los zk-SNARK podrían adoptar enfoques híbridos para mitigar los riesgos asociados a las configuraciones de confianza. A medida que la tecnología madure, los desarrolladores podrían aprovechar modelos híbridos que integren las mejores características de los SNARKs, los STARKs y los Bulletproofs para aplicaciones versátiles en los sectores financiero, sanitario, de las cadenas de suministro y otros.

Conclusión

Cada una de las ZKP presentadas en este artículo responde a necesidades específicas en materia de privacidad, escalabilidad y seguridad, y constituye la base de numerosas aplicaciones criptográficas actuales. Al comprender sus respectivas fortalezas y vulnerabilidades, los desarrolladores y las organizaciones pueden tomar decisiones fundamentadas que garanticen la privacidad, la eficiencia y la seguridad de sus aplicaciones; además, las auditorías exhaustivas son un componente fundamental para mantener la seguridad de los protocolos basados en ZKP, ya que ayudan a protegerse frente a vulnerabilidades que, de otro modo, podrían poner en peligro los datos y los fondos de los usuarios.

A medida que las ZKPs evolucionan, ofrecen un enorme potencial para mejorar la privacidad digital y la confianza, garantizando la integridad de los datos sin revelar información confidencial. Esta tecnología está llamada a redefinir los estándares de privacidad en todos los sectores, desde el blockchain hasta la gestión tradicional de datos.

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