NAR:技術|零知識證明 - ethsnarks源代碼導讀

最近看知乎，發現知乎上有些文章真的醍醐灌頂。印象比較深的是，文因互聯CEO鮑捷的一篇文章：最快的成長方式就是慢慢來。創業最關鍵的能力，就是“不被卡住”的能力。這才是“探索力”的根本，是創業“執行力”的核心。

很多人都熟悉讓別人告知一個明確的目標，然后清晰的執行。但是，創業是一種探索，沒有人會告訴你這樣的明確的目標。探索，是一種反人性的活動。大多數人會對探索畏懼，恐懼，抵觸，茫然。

“不被卡住”，需要掌握好“任務分解，快速迭代”的方法論，需要建立“交付”的態度，需要“勤于溝通”，需要”不固執己見“，更需要”不斷復盤“。”不被卡住“，還有個要注意的是，有多少本錢打多少仗，不要總想著打大仗，要學會從小仗慢慢打。

ethsnarks在libsnark的基礎上，實現了以太坊上與zkSNARK相關的智能合約和電路。ethsnarks本身也是libsnark應用很好的學習示例。

ethsnarks的源代碼地址：

https://github.com/HarryR/ethsnarks.git

本文中使用的ethsnarks源代碼的最后一個commit如下：

commit9adc64355adb9154ba5042c0fadf84c438b8a08a

Author:WanseobLim

Date:FriAug1601:49:192019+0900

AddFrfieldclasstothefield.py

01源代碼結構

contracts-實現了groth16的驗證智能合約，橢圓曲線的計算，MerkleTree以及MiMCHash計算的智能合約。這些智能合約可以通過truffle進行部署測試。部署相關的腳本在migrations目錄下。

ethsnarks-python實現的相關功能，包括pedersen/mimc/poseidon等hash函數，groth16驗證，以及橢圓曲線的計算。

test-以上兩個功能的測試代碼，采用python語言實現。

depends-依賴庫，包括libsnark，libfqfft等等。

src-基于libsnark的gadget1庫實現的更多的gadget。本文著重介紹這些gadget的實現。

國網首個電力元宇宙科技項目在津啟動探索電力調度自動化技術體系:金色財經報道，由國網天津電力牽頭的科技項目“電力調度元宇宙架構及關鍵基礎技術驗證研究與應用”日前在津啟動。這是國網系統首個電力元宇宙科技項目，將利用元宇宙等新技術激發電力調度數字化變革，為我國探索電力調度自動化技術體系新趨勢提供路徑。（上證報）[2023/5/4 14:41:37]

02gadget實現

src目錄下的源代碼結構如下：

2.1ethsnarks.hpp

libsnark的gadget1庫主要圍繞sha256實現各種gadgets。ethsnarks在alt_bn128這條橢圓曲線上實現了基于Field的hash函數。

libsnark的電路中各種定義都非常長。libsnark定義一個變量數組類型：pb_variable_array。

ethsnarks.hpp精簡了在alt_bn128這條橢圓曲線相關的類型聲明：

namespaceethsnarks{

typedeflibff::bigintLimbT;

typedeflibff::alt_bn128_G1G1T;

typedeflibff::alt_bn128_G2G2T;

typedeflibff::alt_bn128_ppppT;

typedeflibff::FqFqT;

typedeflibff::FrFieldT;

typedeflibsnark::r1cs_constraintConstraintT;

typedeflibsnark::protoboardProtoboardT;

typedeflibsnark::pb_variableVariableT;

typedeflibsnark::pb_variable_arrayVariableArrayT;

typedeflibsnark::pb_linear_combinationLinearCombinationT;

typedeflibsnark::pb_linear_combination_arrayLinearCombinationArrayT;

Backed VC完成1.5億歐元融資，將用于投資歐洲技術企業:2月22日消息，Backed VC 宣布完成完成 1.5 億歐元（約合 1.697 億美元）融資，將用于投資歐洲技術企業。根據公告，此次融資的一半資金將用于新的種子基金 Backed Core 2，另一半用于支持其現有投資組合的 Backed Encore 1。

總部位于倫敦的 Backed VC 成立于 2016 年，目前投資組合總價值為 121 億美元，其中包括元宇宙社交平臺 Loot Squad、加密服務公司 BCB Group 和 Immutable X。（VentureBeat）[2022/2/22 10:07:47]

typedeflibsnark::linear_termLinearTermT;

typedeflibsnark::gadgetGadgetT;

typedeflibsnark::r1cs_gg_ppzksnark_zok_proofProofT;

typedeflibsnark::r1cs_gg_ppzksnark_zok_proving_keyProvingKeyT;

typedeflibsnark::r1cs_gg_ppzksnark_zok_verification_keyVerificationKeyT;

typedeflibsnark::r1cs_gg_ppzksnark_zok_primary_inputPrimaryInputT;

typedeflibsnark::r1cs_gg_ppzksnark_zok_auxiliary_inputAuxiliaryInputT;

}

其中，FieldT特指在alt_bn128線上的點的個數。

2.2utils.hpp/utils.cpp

utils實現了電路實現中常用的功能性函數。

inlineconstVariableTmake_variable(ProtoboardT&in_pb,conststd::string&annotation)

{

VariableTx;

x.allocate(in_pb,annotation);

聲音 | 人民大學張楠迪揚：推動利用區塊鏈技術追蹤人口流動匯集:近日，新京報記者連線多位專家學者，就突發公共衛生事件中AI如何賦能抗疫與研制進行了探討。中國人民大學國家發展與戰略研究院青島分院院長、公共管理學院副教授張楠迪揚表示，基于移動手機數據，推動利用區塊鏈技術追蹤人口流動匯集，并將大范圍、大規模、多點面的數據實時共享給相關部門機構，實時共享。區塊鏈的分布式、全程可溯、防篡改等特點能夠極大提升數據共享效率和精準追蹤效果，從而有助于準確識別人流軌跡，為危機人群分級、準確跟蹤監測提供有力支持。（新京報）[2020/2/2]

returnx;

}

make_variable創建一個VariableT。

constVariableArrayTflatten(conststd::vector&in_scalars)

{

size_ttotal_sz=0;

for(constauto&scalar:in_scalars)

total_sz+=scalar.size();

VariableArrayTresult;

result.resize(total_sz);

size_toffset=0;

for(constauto&scalar:in_scalars)

{

for(size_ti=0;i<scalar.size();i++)

{

result.index=scalar.index;

}

}

returnresult;

}

flatten函數將多個VariableArrayT合并成一個VariableArray。其實也很簡單，就是把VariableArray中的index都合并到一個VariableArray中。

2.3r1cs_gg_ppzksnark_zok

在libsnark的r1cs_gg_ppzksnark的基礎上，稍做改動，讓以太坊的預編譯智能合約能驗證groth16的算法。r1cs_gg_ppzksnark_zok目錄中的README.md很清晰的解釋了改動的原因。

聲音 | 王新哲：區塊鏈等技術正深度重構全球產業模式、企業形態和價值鏈分工:據人民網消息，今日，工業和信息化部總經濟師王新哲表示，當前世界正在進入以信息產業為主導的經濟發展時期，以人工智能、移動通信、工業互聯網、量子信息、區塊鏈等為代表的新一代信息技術加速突破應用，正在深度重構全球產業模式、企業形態和價值鏈分工。[2019/1/20]

從以太坊的拜占庭硬分叉之后，以太坊引入了基于ALT_BN128的配對函數計算的預編譯合約，合約實現的功能如下：

給定ALT_BN128上兩個基點一系列的點(a1,b1,a2,b2,...,ak,bk)，預編譯合約能檢查：

e(a1,b1)*...*e(ak,bk)是否等于1？

Groth16原有的驗證系數為：vk.alpha_beta，vk.gamma以及vk.delta。Groth16的驗證等式為：

vk.alpha_beta=e(A,B)*e(-x,vk.gamma)*e(-C,vk.delta)

其中vk.alpha_beta為e(alpha,beta)。

如果直接用之前的驗證等式，以太坊上的預編譯合約沒法實現。在不影響Groth16的安全性的情況下，將Groth16的驗證系數變為：vk.alpha，vk.beta，vk.gamma以及vk.delta。Groth16的驗證等式也變為：

e(A,B)*e(-x,vk.gamma)*e(-C,vk.delta)*e(-alpha,beta)=1

r1cs_gg_ppzksnark_zok目錄就是實現如上的改動。同時提供了stubs.hpp/stubs.cpp，從json文件中讀取相應的驗證參數進行驗證。

2.4poseidon

poseidon算法的實現在gadgets/poseidon.hpp文件中。

template

usingPoseidon128=Poseidon_gadget_T<6,1,8,57,nInputs,nOutputs,constrainOutputs>;

Poseidon128是Poseidon_gadget_T的一個實例。前面四個參數是poseidon算法的參數，后續會寫文章詳細介紹poseidon算法以及這些參數的含義。nInputs指定算法的輸入的個數，nOutputs指定輸出的個數，contrainOutputs指定是否對輸出進行約束。

俄羅斯聯邦儲蓄銀行負責人：俄羅斯全面部署區塊鏈技術還需八至十年:俄羅斯聯邦儲蓄銀行負責人赫爾曼?格雷夫（Herman Gref）于當地時間本周四表示，俄羅斯全面部署區塊鏈技術，預計還需要八至十年時間。[2017/12/22]

Poseidon_gadget_T的構造函數如下：

Poseidon_gadget_T(

ProtoboardT&pb,

constVariableArrayT&in_inputs,

conststd::string&annotation_prefix

):

GadgetT(pb,annotation_prefix),

inputs(in_inputs),

constants(poseidon_params()),

first_round(pb,constants.C,constants.M,in_inputs,FMT(annotation_prefix,".round")),

prefix_full_rounds(

make_rounds(

1,partial_begin,pb,

first_round.outputs,constants,annotation_prefix)),

partial_rounds(

make_rounds(

partial_begin,partial_end,pb,

prefix_full_rounds.back().outputs,constants,annotation_prefix)),

suffix_full_rounds(

make_rounds(

partial_end,total_rounds-1,pb,

partial_rounds.back().outputs,constants,annotation_prefix)),

last_round(pb,constants.C.back(),constants.M,suffix_full_rounds.back().outputs,FMT(annotation_prefix,".round",total_rounds-1)),

_output_vars(constrainOutputs?make_var_array(pb,nOutputs,".output"):VariableArrayT())

{

}

poseidon算法的計算由好幾輪組成：first_round，prefix_full_rounds，partial_rounds(中間，不完整輪)，suffix_full_rounds以及last_round。

_output_vars是輸出的變量。這些輪都是通過make_rounds函數實現。

template

staticconststd::vectormake_rounds(

unsignedn_begin,unsignedn_end,

ProtoboardT&pb,

conststd::vector>&inputs,

constPoseidonConstants&constants,

conststd::string&annotation_prefix)

{

std::vectorresult;

result.reserve(n_end-n_begin);

for(unsignedi=n_begin;i<n_end;i++)

{

constauto&state=(i==n_begin)?inputs:result.back().outputs;

result.emplace_back(pb,constants.C,constants.M,state,FMT(annotation_prefix,".round",i));

}

returnresult;

}

make_rounds就是為每一輪準備合適的參數。每一輪的具體實現通過Poseidon_Round實現。

在Poseidon_Round的封裝下，Poseidon_gadget_T的generate_r1cs_constraints以及generate_r1cs_witness相對簡單，小伙伴們可以自行查看源代碼。

03示例代碼

在ethsnarks的基礎上，實現Poseidon函數的電路就非常簡單了。構造一個簡單的電路，給大家參考一下。

電路的需求：實現Poseidon計算，輸入為兩個FieldT，輸出為一個FieldT。輸出作為電路的publicinput。

#include"ethsnarks.hpp"

#include"gadgets/poseidon.hpp"

usingnamespaceethsnarks;

namespacetestproject{

usingTestHash=Poseidon128<2,1>;

classtest_gadget:publicGadgetT{

public:

VariableToutput;

VariableTinput0;

VariableTinput1;

TestHashtHash;

test_gadget(

ProtoboardT&pb,

conststd::string&prefix

):GadgetT(pb,prefix),

output(make_variable(pb,FMT(prefix,".output"))),

input0(make_variable(pb,FMT(prefix,".input0"))),

input1(make_variable(pb,FMT(prefix,".input1"))),

tHash(pb,create_var_array({input0,input1}),FMT(prefix,".testhash"))

{

}

voidgenerate_r1cs_witness(

ethsnarks::FieldTw_input0,

ethsnarks::FieldTw_input1,

ethsnarks::FieldTw_output)

{

pb.val(input0)=w_input0;

pb.val(input1)=w_input1;

pb.val(output)=w_output;

tHash.generate_r1cs_witness();

}

voidgenerate_r1cs_constraints()

{

pb.set_input_sizes(1);

tHash.generate_r1cs_constraints();

pb.add_r1cs_constraint(ConstraintT(output,1,tHash.result()),

FMT(annotation_prefix,"output==Poseidon(input0||input1)"));

}

};

};

總結：

ethsnarks在libsnark的基礎上，實現了以太坊上與zkSNARK相關的智能合約和電路。ethsnarks本身也是libsnark應用很好的學習示例。libsnark的gadget1庫主要圍繞sha256實現各種gadgets。ethsnarks在alt_bn128這條橢圓曲線上實現了基于Field的hash函數。

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