技術干貨 | 零知識證明Learn by Coding：libsnark 入門篇_KSN

libsnark是目前實現zk-SNARKs電路最重要的框架，在眾多私密交易或隱私計算相關項目間廣泛應用，其中最著名當然要數Zcash。Zcash在Sapling版本升級前一直使用libsnark來實現電路。毫不夸張地說，libsnark支撐并促進了zk-SNARKs技術的

首次大規模應用，填補了零知識證明技術從最新理論到工程實現間的空缺。

希望通過本系列文章，所有開發者都能親自上手實踐，在短時間內迅速入門libsnark，一步步了解libsnark的基本概念，學會如何開發zk-SNARKs電路，完成證明的生成和驗證，最終將零知識證明應用到真實業務中去。

1、zk-SNARKs和libsnark背景簡介

零知識證明，可能是目前最具應用前景和想象力的密碼學黑科技。而zk-SNARKs正是一類零知識證明方案的簡稱，全稱為Zero-KnowledgeSuccinctNon-interactiveArgumentsofKnowledge。這一名字幾乎包含了其所有技術特征，即可以在不泄露任何其他信息的前提下證明一個命題的正確性，并且最終生成的證明具有簡潔性，也就是說最終生成的證明足夠小，并且與計算量大小無關，是一個常數。用白話說就是，你理論上可以在不暴露任何隱私的情況下向其他所有人證明某件事，并且生成的證明體積很小，校驗成本很低，與需要證明的內容計算量無關。聽起來簡直太美好了！

zk-SNARKs能應用到很多場景，比如隱私保護、區塊鏈擴容、可驗證計算等。本文不介紹zk-SNARKS和零知識證明的理論細節，不熟悉或想深入了解的同學可閱讀其他文章或論文。

如Vitalik寫的關于zk-SNARKs著名的三篇博文。

https://medium.com/

第一步，我們需要將函數?C(x,out)?在libsnark中進行表達。此處先省略，后面介紹詳細過程。

第二步，對應下面的Generator函數（

G），lambda?為隨機產生，也就是常說的trustedsetup過程中產生的"toxicwaste"。人們喜歡稱它為“有廢物”，是因為它必須被妥善處理，否則會影響證明協議安全。

lambda<-random()

(pk,vk)=G(C,lambda)

最終生成provingkey(pk)和verificationkey(vk)。

第三步，對應使用Prove函數（

P）生成證明。這里想證明的是prover知道一個秘密值?x?和計算結果?out?可使等式滿足。因此將?x、out?還有?pk?作為輸入一起傳給?

P，最終生成證明?proof。

proof=P(pk,out,x)

第四步，對應使用Verify函數（

V）驗證證明，將?proof、out?還有?vk?傳給?

G，即可在不暴露秘密的情況下證明存在一個秘密值可使等式滿足。

Anthony Pompliano：以太坊旨在解決技術問題，比特幣旨在解決社會問題:Morgan Creek Digital聯合創始人Anthony Pompliano發推稱，以太坊的建立是為了解決技術問題。比特幣是用來解決社會問題的。這并不意味著孰好孰壞，但它確實意味著其中一個機會更大。[2020/8/9]

V(vk,out,proof)?=true

而

開發者主要工作量就集中在第一步，需要按照libsnark的接口規則手寫C++電路代碼來描述命題，由代碼構造R1CS約束。整個過程也即對應下圖的Computation->ArithmeticCircuit->R1CS。

3、搭建zk-SNARKs應用開發環境

下面進入動手環節，快速上手libsnark，跑通例子。

先下載本文對應的libsnark最小可用例子代碼庫?libsnark_abc。

gitclonehttps://github.com/sec-bit/libsnark_abc.git

通過gitsubmodule拉取libsnark代碼。

cdlibsnark_abc

gitsubmoduleupdate--init--recursive

參考libsnark?項目文檔完成相關依賴安裝。以Ubuntu16.04LTS為例，需安裝以下組件：

sudoapt-getinstallbuild-essentialcmakegitlibgmp3-devlibprocps4-devpython-markdownlibboost-all-devlibssl-dev

初始化?build?文件夾。

mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..

這步在macOS系統可能會遇到問題，參考這個issue?處理。或嘗試使用以下命令：

mkdirbuild&&cdbuild&&CPPFLAGS=-I/usr/local/opt/openssl/includeLDFLAGS=-L/usr/local/opt/openssl/libPKG_CONFIG_PATH=/usr/local/opt/openssl/lib/pkgconfigcmake-DWITH_PROCPS=OFF-DWITH_SUPERCOP=OFF..

成功后，依舊在?build?目錄進行編譯。

make

編譯成功后，在?build/src?目錄中可看到3個二進制文件。

陳雷鳴：鋼鐵行業全產業鏈都需要區塊鏈技術:中國金屬材料流通協會副會長兼秘書長陳雷鳴最近表示，鋼鐵行業的全產業鏈都需要區塊鏈技術。以區塊鏈技術為基礎，將供應鏈金融融入進來，能提升整體業態、節約成本、促進行業高質量發展。他透露，目前中國金屬材料流通協會協會正在重點著手以聯盟鏈的形式構建一個鋼鐵供應鏈，深入地將服務延伸到企業具體生產經營的每個環節過程中。（新浪財經）[2020/5/25]

main

range

test

到這兒，你就以及完成示例項目的編譯啦。嘗試運行示例代碼吧。

./src/main

最終出現如下日志，則說明一切正常。你已順利擁有了zkSNARK應用開發環境，并成功跑了第一個zk-SNARKs的demo。

4、理解示例代碼

下面我們一起來仔細瞅瞅代碼。示例項目包含了3份代碼。

不妨先看看?src/main.cpp。這個例子來自HowardWu的?libsnark_tutorial，他也是libsnark作者之一哦。本文?libsnark_abc?的項目結構就是依照他的?libsnark_tutorial?搭建，屬于“官方推薦風格”，請放心食用。

只有區區幾十行代碼，其中?run_r1cs_gg_ppzksnark()?是主要部分。很容易發現，真正起作用的實質代碼只有下面5行。

r1cs_gg_ppzksnark_keypair<ppT>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<ppT>(example.constraint_system);

r1cs_gg_ppzksnark_processed_verification_key<ppT>pvk=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_process_vk<ppT>(keypair.vk);

r1cs_gg_ppzksnark_proof<ppT>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<ppT>(keypair.pk,example.primary_input,example.auxiliary_input);

constboolans=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<ppT>(keypair.vk,example.primary_input,proof);

constboolans2=r1cs_gg_ppzksnark_online_verifier_strong_IC<ppT>(pvk,example.primary_input,proof);

僅從“超長”的函數名就能看出來每步是在做什么，但是卻看不到如何構造電路的細節。實際上這里僅僅是調用了自帶的?r1cs_example，隱去了實現細節。

聲音 | 清華大學柴躍廷：區塊鏈等技術的出現和應用已經使“可信連接”成為可能:據青島日報報道，清華大學電商交易技術國家工程實驗室主任、博士生導師柴躍廷認為，云計算、大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈等技術的出現和應用，已經不只是解決連接和信息傳輸的問題，這些技術的出現已經使“可信連接”成為可能，而“可信連接”以及大數據的充分應用帶來的將是更進一步的智能化購物模式。數字化程度越高，對可信的要求越強烈，否則社會就會亂套，經濟就會無序。區塊鏈技術可追溯、不可否認、不可篡改的特性，將使它成為下一個階段實現可信互聯、可信交易重要的基礎設施和基礎技術。在大數據的參與下，區塊鏈提供兩個行為主體之間的可信互聯，更加智能化的購物模式將應運而生。[2019/6/10]

既然如此，那讓我們通過一個更直觀的例子來學習電路細節。研究?src/test.cpp，這個例子改編自ChristianLundkvist的?libsnark-tutorial(https://github.com/christianlundkvist/libsnark-tutorial)。

代碼開頭僅引用了三個頭文件，分別是：

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

前面提到?r1cs_gg_ppzksnark?對應的是Groth16方案。這里加了?gg?是為了區別?r1cs_ppzksnark，表示GenericGroupModel。Groth16安全性證明依賴GenericGroupModel，以更強的安全假設換得了更好的性能和更短的證明。

第一個頭文件是為了引入?default_r1cs_gg_ppzksnark_pp?類型，第二個則為了引入證明相關的各個接口。pb_variable?則是用來定義電路相關的變量。

下面需要進行一些初始化，定義使用的有限域，并初始化曲線參數。這是相當于每次的準備工作。

typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

接下來就需要明確「待證命題」是什么。這里不妨沿用之前的例子，證明秘密?x?滿足等式?x^3+x+5==out。這實際也是Vitalik博文?"QuadraticArithmeticPrograms:fromZerotoHero"(https://medium.com/

template<typenameppT>

政策 | 上海市將利用區塊鏈等技術培育智慧供應鏈生態圈:8月30日，上海市人民政府印發了《關于本市積極推進供應鏈創新與應用的實施意見》， 指出上海市將聚焦大宗商品、消費品、醫藥、物流等重點領域，推廣應用云計算、大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈等先進技術，培育形成整合供應鏈各環節、掌握行業大數據的智慧供應鏈生態圈。并研究利用區塊鏈、人工智能等新興技術，建立基于供應鏈的信用評價機制。[2018/9/1]

voidtest_r1cs_gg_ppzksnark(size_tnum_constraints,size_tinput_size)

{

??r1cs_example<libff::Fr<ppT>>example=generate_r1cs_example_with_binary_input<libff::Fr<ppT>>(num_constraints,input_size);

??constboolbit=run_r1cs_gg_ppzksnark<ppT>(example);

??assert(bit);

}

intmain(){

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??test_r1cs_gg_ppzksnark<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(1000,100);

??return0;

}

test.cpp

第二個例子?test.cpp。這個例子具體展示了如何利用libsnark構建一個最簡單的電路。

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

usingnamespacelibsnark;

usingnamespacestd;

intmain(){

??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

??//Initializethecurveparameters

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??//Createprotoboard

英國啟動區塊鏈研究項目 以維護倫敦區塊鏈技術樞紐地位:英國初級財政部長John Glen近日宣布，政府將全面啟動新的研究來探索比特幣等加密貨幣帶來的潛在風險。Glen在倫敦的創新金融會議上發表講話時特別提到了對加密貨幣“爆炸式增長”帶來影響的擔憂。同時，他表示他的目標是維護倫敦作為全球領先的金融科技實驗和區塊鏈技術樞紐的地位。Glen補充說，2017年是英國金融科技行業創紀錄的一年，共吸引了13億英鎊(約合18億美元)的投資。據報道，這些基金中有一半以上來自海外，這是英國監管機構繼續歡迎區塊鏈項目的明確動機。[2018/3/20]

??protoboard<FieldT>pb;

??//Definevariables

??pb_variable<FieldT>x;

??pb_variable<FieldT>sym_1;

??pb_variable<FieldT>y;

??pb_variable<FieldT>sym_2;

??pb_variable<FieldT>out;

??//Allocatevariablestoprotoboard

??//Thestrings(like"x")areonlyfordebuggingpurposes??

??out.allocate(pb,"out");

??x.allocate(pb,"x");

??sym_1.allocate(pb,"sym_1");

??y.allocate(pb,"y");

??sym_2.allocate(pb,"sym_2");

??//Thissetsuptheprotoboardvariables

??//sothatthefirstone(out)representsthepublic

??//inputandtherestisprivateinput

??pb.set_input_sizes(1);

??//AddR1CSconstraintstoprotoboard

??//x*x=sym_1

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(x,x,sym_1));

??//sym_1*x=y

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_1,x,y));

??//y+x=sym_2

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(y+x,1,sym_2));

??//sym_2+5=~out

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_2+5,1,out));

??

??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();

??//generatekeypair

??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);

??//Addpublicinputandwitnessvalues

??pb.val(out)=35;

??pb.val(x)=3;

??pb.val(sym_1)=9;

??pb.val(y)=27;

??pb.val(sym_2)=30;

??//generateproof

??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());

??//verify

??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);

??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;

??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;

??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;

??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;

}

range.cpp

第三個例子?range.cpp。該例子利用了libsnark自帶的?comparison_gadget?來實現取值范圍證明。

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/gadgets/basic_gadgets.hpp>

usingnamespacelibsnark;

usingnamespacestd;

intmain(){

??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

??//Initializethecurveparameters

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??//Createprotoboard

??protoboard<FieldT>pb;

??pb_variable<FieldT>x,max;

??pb_variable<FieldT>less,less_or_eq;

??x.allocate(pb,"x");

??max.allocate(pb,"max");

??

??pb.val(max)=60;

??comparison_gadget<FieldT>cmp(pb,10,x,max,less,less_or_eq,"cmp");

??cmp.generate_r1cs_constraints();

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(less,1,FieldT::one()));

??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();

??//generatekeypair

??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);

??//Addwitnessvalues

??pb.val(x)=18;//secret

??cmp.generate_r1cs_witness();

??//generateproof

??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());

??//verify

??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);

??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;

??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;

??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;

??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;

}

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