CON:技术|零知识证明 - ethsnarks源代码导读_ARK

最近看知乎，发现知乎上有些文章真的醍醐灌顶。印象比较深的是，文因互联CEO鲍捷的一篇文章：最快的成长方式就是慢慢来。创业最关键的能力，就是“不被卡住”的能力。这才是“探索力”的根本，是创业“执行力”的核心。

很多人都熟悉让别人告知一个明确的目标，然后清晰的执行。但是，创业是一种探索，没有人会告诉你这样的明确的目标。探索，是一种反人性的活动。大多数人会对探索畏惧，恐惧，抵触，茫然。

“不被卡住”，需要掌握好“任务分解，快速迭代”的方法论，需要建立“交付”的态度，需要“勤于沟通”，需要”不固执己见“，更需要”不断复盘“。”不被卡住“，还有个要注意的是，有多少本钱打多少仗，不要总想着打大仗，要学会从小仗慢慢打。

ethsnarks在libsnark的基础上，实现了以太坊上与zkSNARK相关的智能合约和电路。ethsnarks本身也是libsnark应用很好的学习示例。

ethsnarks的源代码地址：

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

本文中使用的ethsnarks源代码的最后一个commit如下：

commit9adc64355adb9154ba5042c0fadf84c438b8a08a

Author:WanseobLim

Date:FriAug1601:49:192019+0900

AddFrfieldclasstothefield.py

01源代码结构

contracts-实现了groth16的验证智能合约，椭圆曲线的计算，MerkleTree以及MiMCHash计算的智能合约。这些智能合约可以通过truffle进行部署测试。部署相关的脚本在migrations目录下。

ethsnarks-python实现的相关功能，包括pedersen/mimc/poseidon等hash函数，groth16验证，以及椭圆曲线的计算。

test-以上两个功能的测试代码，采用python语言实现。

depends-依赖库，包括libsnark，libfqfft等等。

src-基于libsnark的gadget1库实现的更多的gadget。本文着重介绍这些gadget的实现。

imToken联合创始人何斌：用户体验是区块链技术主流化的最重要条件:金色财经现场报道，12月6日，2020世界区块链大会于武汉举办，大会的数字经济与开放金融论坛上，imToken联合创始人何斌演讲表示，钱包是用户参与区块链的主要媒介，产品用户体验是区块链技术能否主流化的最重要条件，目前会存在很多挑战，包含：用户如何理解私钥和安全保管、如何解决gas费偏高和使用门槛问题。此外，DeFi还会存在复杂性脆弱、复杂性迷宫的问题。[2020/12/6 14:10:07]

02gadget实现

src目录下的源代码结构如下：

2.1ethsnarks.hpp

libsnark的gadget1库主要围绕sha256实现各种gadgets。ethsnarks在alt_bn128这条椭圆曲线上实现了基于Field的hash函数。

libsnark的电路中各种定义都非常长。libsnark定义一个变量数组类型：pb_variable_array。

ethsnarks.hpp精简了在alt_bn128这条椭圆曲线相关的类型声明：

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;

首旅如家酒店采用区块链技术追溯保洁情况:首旅如家酒店集团与易居中国达成合作，将以区块链技术为核心的“楼宇智控链”应用于酒店场景，为“放心酒店”防疫卫生措施落地的巡查，提供动态认证，让酒店日常防疫卫生工作变得可查证、可追溯、可信任。客人可通过扫描水吧台、卫生间等重点接触区域的追溯二维码，了解对应区域的保洁时间、保洁次数、放心督查员等酒店清洁消工作执行信息。（新京报）[2020/3/26]

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线上的点的个数。

2.2utils.hpp/utils.cpp

utils实现了电路实现中常用的功能性函数。

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

{

VariableTx;

x.allocate(in_pb,annotation);

returnx;

声音 | 广电总局杜百川：要加快区块链技术在智慧广电中的应用:11月21日，在智慧广电创新发展研讨会上，国家广电总局科技委副主任杜百川以《智慧广电需要5G和区块链等先进技术的支撑》为题进行了分享，列举了区块链在集成智慧停车系统、智慧用电、身份钱包、切片认证、广告自动交易和发布五个场景的应用，并呼吁广电加快5G和区块链技术在智慧广电中的应用。[2019/11/22]

}

make_variable创建一个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函数将多个VariableArrayT合并成一个VariableArray。其实也很简单，就是把VariableArray中的index都合并到一个VariableArray中。

2.3r1cs_gg_ppzksnark_zok

在libsnark的r1cs_gg_ppzksnark的基础上，稍做改动，让以太坊的预编译智能合约能验证groth16的算法。r1cs_gg_ppzksnark_zok目录中的README.md很清晰的解释了改动的原因。

从以太坊的拜占庭硬分叉之后，以太坊引入了基于ALT_BN128的配对函数计算的预编译合约，合约实现的功能如下：

动态 | 越南区块链行业代表要求政府为该技术提供沙箱:周三，越南区块链行业代表在河内与政府机构共同参加会议时，要求政府为该技术提供沙箱。据悉，本次会议由越南司法部举行，讨论内容包括越南区块链技术发展的法律框架。 Tomochain首席执行官Vuong Quang Long表示，在周边地区，一些沙箱已在新加坡、马来西亚和日本成功推出。 越南交易所VCCE首席执行官Dao Minh Tung同意Long的观点，他表示：“越南应该有一个法律体系，以帮助数字资产交易发展，并帮助当地投资者在这项服务中获得安全和保障。虽然越南无法注册任何交易所，但当地的数字资产交易流量始终位列全球前五。这种情况造成了许多虚假交易所出现，使投资者面临亏损风险。” Stably首席执行官Hoang Manh Khoi也表示，沙箱可以帮助越南企业调动资金，用自己的代币吸引更多客户。（Viet Nam News）[2019/9/19]

给定ALT_BN128上两个基点一系列的点(a1,b1,a2,b2,...,ak,bk)，预编译合约能检查：

e(a1,b1)*...*e(ak,bk)是否等于1？

Groth16原有的验证系数为：vk.alpha_beta，vk.gamma以及vk.delta。Groth16的验证等式为：

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

其中vk.alpha_beta为e(alpha,beta)。

如果直接用之前的验证等式，以太坊上的预编译合约没法实现。在不影响Groth16的安全性的情况下，将Groth16的验证系数变为：vk.alpha，vk.beta，vk.gamma以及vk.delta。Groth16的验证等式也变为：

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

r1cs_gg_ppzksnark_zok目录就是实现如上的改动。同时提供了stubs.hpp/stubs.cpp，从json文件中读取相应的验证参数进行验证。

2.4poseidon

poseidon算法的实现在gadgets/poseidon.hpp文件中。

template

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

声音 | 徐明星：希望推进区块链技术更好服务实体经济:12月18日消息，在杭州举行的“链动科技·智享未来”发布会上，OK集团创始人、OK区块链工程院创始人徐明星表示，区块链技术是一种根本性的技术变革，随着这项技术越来越成熟，一定会在实体经济的各个领域发挥重大的作用。徐明星指出，OK集团与浙江清华长三角研究院杭州分院、嘉楠耘智三家企业在“中国创新、创业圣地”杭州设立区块链孵化器B—Labs，我们希望推动这项技术本身的发展在中国实体经济领域当中的应用，推进区块链技术在中国快速发展，更好的服务实体经济。[2018/12/18]

Poseidon128是Poseidon_gadget_T的一个实例。前面四个参数是poseidon算法的参数，后续会写文章详细介绍poseidon算法以及这些参数的含义。nInputs指定算法的输入的个数，nOutputs指定输出的个数，contrainOutputs指定是否对输出进行约束。

Poseidon_gadget_T的构造函数如下：

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算法的计算由好几轮组成：first_round，prefix_full_rounds，partial_rounds(中间，不完整轮)，suffix_full_rounds以及last_round。

_output_vars是输出的变量。这些轮都是通过make_rounds函数实现。

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就是为每一轮准备合适的参数。每一轮的具体实现通过Poseidon_Round实现。

在Poseidon_Round的封装下，Poseidon_gadget_T的generate_r1cs_constraints以及generate_r1cs_witness相对简单，小伙伴们可以自行查看源代码。

03示例代码

在ethsnarks的基础上，实现Poseidon函数的电路就非常简单了。构造一个简单的电路，给大家参考一下。

电路的需求：实现Poseidon计算，输入为两个FieldT，输出为一个FieldT。输出作为电路的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)"));

}

};

};

总结：

ethsnarks在libsnark的基础上，实现了以太坊上与zkSNARK相关的智能合约和电路。ethsnarks本身也是libsnark应用很好的学习示例。libsnark的gadget1库主要围绕sha256实现各种gadgets。ethsnarks在alt_bn128这条椭圆曲线上实现了基于Field的hash函数。

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