Halo2

개요

Halo2는 zk-SNARK와 zk-STARK의 장점을 결합한 범용 Zero-Knowledge Proof 시스템으로, 신뢰 설정(trusted setup)이 필요 없고 순환 증명(recursive proof)을 통해 무한 확장 가능한 구조를 갖는다. zkRollup, zkEVM, 블록체인 프라이버시 증명 등에 최적화되어 있으며, Electric Coin Company(Zcash 개발사)와 Ethereum 커뮤니티에서 활발히 연구되고 있다.

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1. 개념 및 정의

항목	설명
정의	신뢰 설정 없이도 작동하며, 순환 가능성과 범용성을 갖춘 zk-SNARK 시스템
목적	영지식 증명을 안전하고 반복 가능하게 설계
필요성	기존 SNARK의 trusted setup 문제와 확장성 한계 극복

Halo2는 Halo1을 기반으로 더 범용적 회로 지원 및 증명 효율성을 개선한 버전이다.

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2. 특징

특징	설명	비교
No Trusted Setup	초기 설정 없이도 보안 보장	Groth16 등 기존 SNARK과 차별화
Recursive Proof	증명을 증명할 수 있는 구조	순환 증명 기반 압축 가능
Plonkish Constraint System	다양한 연산 표현을 허용하는 회로 모델	PLONK 계열 기반의 일반화 회로

Halo2는 SNARK 계열로서 짧은 증명과 빠른 검증을 동시에 제공한다.

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3. 구성 요소

구성 요소	설명	기술
Circuit (Plonkish)	연산 조건을 표현하는 회로	Gate, Selector, Lookup 지원
Polynomial Commitment	다항식 증명용 암호 기술	Pallas-Vesta 커브 기반 IPA 사용
Prover / Verifier	증명 생성 및 검증자 모듈	Rust 및 Halo2 crate 기반 구현

Halo2 회로는 Rust로 작성하며, Halo2 라이브러리에서 직접 설계할 수 있다.

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4. 기술 요소

기술 요소	설명	활용
Inner Product Argument (IPA)	KZG 없이 신뢰 설정 없는 커밋 증명	Halo2에서 Pallas/Vesta 커브로 구현
Rotation Gates	시간축 위치별 조건을 유연하게 표현	행 기반 DSL 설계 가능
zkEVM 친화성	스마트컨트랙트 opcode 구현 가능	Ethereum L2에서의 zkRollup 구현에 활용

Halo2는 Circom이나 PLONK DSL보다 저수준이지만 더 유연하다.

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5. 장점 및 이점

장점	설명	기대 효과
신뢰 설정 제거	trusted setup 불필요	보안성 향상, 운영 간소화
확장성 확보	순환 증명으로 대규모 증명 압축 가능	Layer 1~2 다중 증명에 적합
보편적 회로 모델	다양한 수학적 연산을 표현 가능	zkEVM, zkOracle 등에 유연성 제공

ZK 생태계에서 차세대 표준으로 자리잡는 추세이다.

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6. 주요 활용 사례 및 고려사항

분야	활용 예시	고려사항
블록체인	zkRollup, zkBridge 증명 압축	순환 회로 최적화 필요
금융 프라이버시	사용 내역 숨김 증명(Zcash 등)	증명 크기와 성능 균형 조정 필요
zkEVM	EVM 명령어를 회로로 변환	회로 설계 복잡도 ↑

성능 최적화를 위해 witness 레이아웃과 회로 디자인이 중요하다.

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7. 결론

Halo2는 신뢰 설정 없는 ZK 증명을 실현하면서도 고성능, 고확장성을 확보할 수 있는 범용 ZK 프레임워크다. 다양한 회로 표현과 recursive 증명 구조는 L2 확장성, 프라이버시 보호, 스마트컨트랙트 증명 등 다양한 ZK 응용에 적합하며, Rust 기반 저수준 컨트롤을 통해 고급 증명 시스템을 설계할 수 있는 강력한 기반을 제공한다.