NAR:技术|零知识证明 - ethsnarks源代码导读

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。

儿科医疗服务提供商使用区块链技术进行COVID-19管理:佛罗里达州最大的儿科医疗服务提供商Angel Kids Pediatrics正在使用Solve.Care的创新解决方案Team.Care Network进行健康报告和COVID-19管理。Team.Care Network是一个基于区块链的劳动力管理解决方案平台，利用智能合约和分配提供数据安全。（BTCManager）[2020/9/8]

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;

typedeflibsnark::pb_linear_combination_arrayLinearCombinationArrayT;

Bitfinex首席技术官：Bitfinex官方热钱包USDT仅占总供应量的11%:8月28日，Tether和Bitfinex首席技术官Paolo Ardoino发推称，刚刚注意到EOS链上的USDT开始在上升。Bitfinex官方热钱包USDT仅占总供应量的11%，其余的被不同的项目或由社区成员持有。这要求进行链上代币转移。[2020/8/28]

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;

}

make_variable创建一个VariableT。

constVariableArrayTflatten(conststd::vector&in_scalars)

动态 | 台交大开发结合区块链技术的农业生产调控系统:据台媒消息，交通大学已开发了一款名为AgriTalk的农业生产调控系统，该系统利用了区块链技术以记录植物生长环境及田间工作资料。[2018/9/12]

{

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：

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)

声音 | 马绍尔政府：先进技术足以缓解国家发行数字货币的风险:据Cryptonews消息，马绍尔群岛共和国政府回应IMF称，相信先进技术足以缓解将要发行国家数字货币SOV的风险。此外，只有当SOV被认为符合金融行动特别工作组的标准和美国法规，并且其在美国金融系统交易中的使用获得美国政府批准后才会正式发行。考虑到所有这些准备工作，当局预计几年后才能发行SOV。[2018/9/12]

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>;

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

):

金色财经现场报道 凡高资本创始人周小兵：建议多关心技术类型项目:金色财经现场报道，在“2018联盟链的未来暨瑞链科技区块链产品发布会”上，进行以《联盟链的未来》为题的圆桌论坛，凡高资本创始人周小兵指出：建议多关注技术类型的项目，区块链目前还存在不少问题，接下来，区块链技术会向分层的方向发展。在区块链的时代，底层之上会有很多层，每一层都用来解决不同的问题。[2018/5/31]

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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