International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

Comparative Analysis of Zero-Knowledge Proof-of-Stake Systems in Verifiable Cryptography and Their Applications in Improving the Efficiency of Decentralized Storage and Blockchains

الملخص
تعتمد شبكات التخزين اللامركزية بشكل متزايد على التحقق القائم على تقنية البلوك تشين لضمان سلامة البيانات دون تحكم مركزي؛ إلا أن أحمال العمل التي تتطلب إثباتات مكثفة تؤدي إلى زيادة كبيرة في زمن الاستجابة وتكاليف المعالجة على البلوك تشين. تقدم هذه الورقة البحثية تحليلاً مقارناً قائمًا على دورة حياة نماذج إثبات المعرفة الصفرية (ZKP) الرئيسية المستخدمة في التخزين اللامركزي، مع التركيز على أُطر عمل zk-SNARK وبنيات zk-STARK الشفافة، كما تقدم إطار عمل تقييم متعدد الطبقات، يربط تحليل الأداء بالمراحل الأساسية لدورة حياة الإثبات: التوليد، والتجميع، والتحقق على البلوك تشين، وانطلاقًا من هذا التحليل، تقترح الورقة بنية هجينة تجمع بين توليد الإثباتات المتوازي القائم على STARK والضغط المتكرر القائم على SNARK، مما يُقلل من تعقيد التحقق على البلوك تشين إلى مستوى شبه ثابت. وتوضح دراسة حالة مُستوحاة من Filecoin، مدعومة بنموذج أداء شبه تجريبي، أن النهج الهجين المُقترح يُقلل بشكل كبير من زمن استجابة التحقق وتكاليف البيانات، مع الحد من النمو الخطي لتكاليف التحقق، تشير النتائج إلى أن بنى إثبات المعرفة الصفرية الهجينة توفر حلاً قابلاً للتوسع ومجدياً اقتصادياً لأنظمة التخزين اللامركزية وشبكات البلوك تشين واسعة النطاق................. الكلمات المفتاحية:............... إثباتات المعرفة الصفرية، zk-SNARKs، zk-STARKs، التجميع التكراري، التخزين اللامركزي، التشفير القابل للتحقق، قابلية التوسع، تكلفة الغاز.
Abstract
Decentralized storage networks increasingly rely on blockchain-based verification to ensure data integrity without centralized control; however, proof-intensive workloads introduce significant latency and on-chain cost overhead. This paper presents a lifecycle-based comparative analysis of major zero-knowledge proof (ZKP) models used in decentralized storage, focusing on zk-SNARK frameworks and transparent zk-STARK constructions. A multi-layer evaluation framework is introduced, aligning performance analysis with the core stages of the proof lifecycle: generation, aggregation, and on-chain verification. Building on this analysis, the paper proposes a hybrid architecture that combines parallel STARK-based proof generation with recursive SNARK-based compression, reducing on-chain verification complexity to near-constant. A Filecoin-inspired case study, supported by a quasi-empirical performance model, demonstrates that the proposed hybrid approach significantly reduces verification latency and data overhead while mitigating the linear growth of verification costs. The results indicate that hybrid ZKP architectures offer a scalable and economically viable solution for decentralized storage systems and large-scale blockchain networks................. Keywords: .............Zero-knowledge proofs, zk-SNARKs, zk-STARKs, recursive aggregation, decentralized storage, verifiable cryptography, scalability, gas cost.