ARK:技術|零知識證明 - ethsnarks源代碼導讀_CON

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。

科大訊發：公司具備元宇宙開發所需的相關技術:12月18日消息，科大訊發在回答投資者提問時表示，公司對元宇宙有積極關注。元宇宙中要實現與虛擬人無縫、有真正的情感的交流，必須要有以情感貫穿的音色、語氣、表情、嘴形、眼神、動作、衣品、環境等要素實現的、真正像人一樣的交互，這正是科大訊飛虛擬人相關的技術領域。科大訊飛在全球1024開發者節上最先發起虛擬人交互平臺1.0，實現多模感知、情感貫穿、多維表達、自主定制。訊飛將用情感貫穿從文本語義到語氣強調，再到面部表情等等的后臺邏輯，致力讓每個人能夠在虛擬世界中感受到一個真實的助手，真實的合作伙伴。（新浪財經）[2021/12/18 7:48:02]

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;

聲音 | 騰訊研究院院長司曉：區塊鏈等技術為版權產業帶來機遇:騰訊研究院院長、深圳市版權協會會長司曉指出，版權產業在深圳經濟文化發展中具有重要作用。當下，以人工智能、5G、量子信息、移動通信、物聯網、區塊鏈為代表的新一代信息技術加速突破應用，為版權產業帶來新的機遇。[2019/12/18]

typedeflibsnark::pb_linear_combinationLinearCombinationT;

typedeflibsnark::pb_linear_combination_arrayLinearCombinationArrayT;

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);

動態 | 制藥公司Merck利用區塊鏈等技術打擊假藥:據ethnews消息，制藥公司Merck KGaA已獲得美國專利，該專利結合了人工智能（AI）和區塊鏈技術，旨在“保護供應鏈的完整性并避免假冒”。新專利通過在區塊鏈上存儲加密對象獨有的特征，企業將能夠為其客戶提供一定程度的“確定性和防御性”。[2019/2/1]

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。

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：

聲音 | WTO總干事：區塊鏈技術能夠防篡改 可以在交易中幫助雙方建立信心:11月5日下午，在商務部與世貿組織（WTO）秘書處聯合舉辦《2018年世界貿易報告》中文版（下稱《報告》）發布會上，WTO總干事羅伯托·阿澤維多指出，區塊鏈技術是能夠防篡改，而且是一種去中心化的對于交易的記錄方式。它可以在交易過程中幫助雙方建立信心。[2018/11/5]

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。

金色財經現場報道 Melnikoff：區塊鏈技術能成為政府和私有機構的橋梁:在GBLS全球無眠區塊鏈領袖峰會上，于斯坦福大學和MIT從事物理學方面的工作Dr. Steve Melnikoff表示：在極大規模當中使用區塊鏈技術是非常有意思的事情，區塊鏈本身是新的技術，在新的技術中應用區塊鏈的技術是非常有意思的，因為如果能夠是現在不同行業中大規模使用，就能夠實現區塊鏈技術的最終落地。例如，區塊鏈能夠幫助玻璃化的過程，并且驗證交易數據，尤其是工程數據方面，如果用區塊鏈技術進行記錄的話，保證工程數據可以五十年、一百年都被保存，可以讓后面的人查證項目是否按照最終的數據完成。此外區塊鏈技術在這個過程當中還發揮了另一層作用，成為政府和私有機構的橋梁。[2018/6/6]

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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