区块链:技术干货 | 理解零知识证明算法之Bulletproofs：Range Proof I

前言

Bulletproofs，又一个有意思的零知识证明算法，相信读者已经很熟悉它了。和zk-snark相比，它不需要可信设置；和zk-stark算法相比，它具有较小的proofsize。根据论文，它有两个方面的应用：1.用于rangeproof；2.用于一般算术电路的零知识证明。下面，让我们先看一下Bulletproofs是如何高效的实现第一点。

Rangeproof

1.?预备知识

aL：表示向量{a1,a2……an}

2n：表示向量{20,21…2n-1}

<a,b>：表示向量内积∑ai*bi，结果是一个值

aob：向量对应位相乘，{a1*b1……an*bn}，结果是一个向量

2.?证明

Alice想要证明

v?

=>则，需要证明一个relation得成立，如下所示：

{：V=grhv^v?}

public-x??????????witness-wrelation-R

即，对于公开信息x，Alice有隐私信息w，使得关系R成立。

令aL为金额v的在范围内的二进制形式，则aL={a1,a2……an}?{0,1}n，且满足<aL,2n>=v。因此，证明者需要证明以下几个等式相等：

新开普：目前公司已将区块链技术应用到一卡通项目中:金色财经消息，近日，有投资者向新开普（300248）提问， 是否考虑借助自身大学资源来建立对国家有贡献的教授的nft或者虚拟人。新开普回答表示，公司尚未开展关于NFT及虚拟人的研究。目前公司已将区块链技术应用到一卡通项目中，增加了系统的安全性，将区块链技术作为独立产品已研发完成，正在积极推进项目落地中。（同花顺（300033）金融研究中心）[2022/5/10 3:04:48]

V=grhv????(1)

<aL,2n>=v???(2)

aLoaR=0n??(3)

aR=aL-1n???(4)

等式(1)确保了承诺V和金额v的绑定关系，等式(2)确保了v的范围，等式(3)(4)确保了a

L元素只属于{0,1}。等式(2)/(3)/(4)总共包含了2n+1个约束，其中公式(2)1个，公式(3)(4)各n个。接下来，为了效率，我们需要把2n+1个约束转换成1个约束。

3.?2n+1个约束转换成1个约束

=>预备：从Zp中任意选择一个数y，则b=0n是等式<b,yn>=0成立的充分条件；因为当b!=0n，等式成立的概率仅有n/p，p是有限域，远大于n。因此，如果有<b,yn>=0，那么验证者愿意相信b!=0n。

海南：建设国家区块链技术和产业创新发展基地:12月28日消息，《海南省创建国家区块链试验区实施方案》（以下简称《实施方案》）新闻发布会28日在海口举行。记者从会上获悉，海南将打造“两园多点”发展格局，以海南生态软件园和海口复兴城作为产业集聚区，建设国家区块链技术和产业创新发展基地。

《实施方案》明确提出，海南省创建国家区块链试验区的总体思路，是围绕网络强国战略部署，推动建设先进的区块链产业体系，打通区块链创新链、应用链、价值链，将海南打造成为国内领先、国际一流的区块链技术创新高地、应用高地、人才高地。[2021/12/28 8:09:57]

利用这个理论，我们把等式(2)/(3)/(4)做以下转换：

1.验证者随机选取一个数y发送给证明者；

2.证明者要证明：

<aL,2n>=v(5)

<aL,aRoyn>=0???????(6)

<aL-1n-aR,yn>=0???(7)

同理，等式(5)确保了v的范围，等式(6)(7)确保了a

L元素只属于{0,1}。此时2n+1个约束转换成3个约束，接下来，还需要做进一步的处理：

1.验证者随机选取一个数z发送给证明者：

2.证明者利用z对公式(5)(6)(7)进行线性组合，得到如下公式：

动态 | 拓尔思：已开展区块链相关技术的研究:拓尔思（SZ300229）董秘在回答用户提问时称，目前公司的业务未涉及区块链、数字货币和5G新技术方面，公司一直关注区块链技术的发展并已经开展了相关技术的研究。[2019/11/1]

z2*<aL,2n>+z*<aL-1n-aR,yn>+<aL,aRoyn>=z2*v???(8)

至此，我们已经把2n+1个约束转换成1个约束。下面我们对公式(8)做进一步的优化，把三个点积优化成1个点积

4.?三个点积优化成1个点积

=>z2*<aL,2n>+z*?<aL-1n-aR,yn>+<aL,aRoyn>=z2*v

=><aL,z2*2n>+<aL,z*yn>-<z*1n,yn>-<z*aR,yn>+<aL,aRoyn>=z2*v

=><aL,aRoyn+z*yn+z2*2n>-<z*1n,yn>+<z*1n,ynoaR>=z2*v

=><aL,aRoyn+z*1noyn+z2*2n>-<z*1n,yn+ynoaR>=z2*v

=><aL,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>-?<z*1n,yn+ynoaR>=z2*v

声音 | 邢炜：将区块链等技术应用到保险机构的运营和保险业务当中可以提升业务效率，改变产品形态:在近日举行的第二届中国银行保险业国际高峰论坛上，中国保险行业协会会长邢炜表示，首先，保险市场的各参与主体基于数字技术的综合运用，创新风险管理方式，使保险服务能力和服务效率得到提升。其次，依托互联网开展业务，将大数据、云计算、区块链、人工智能技术综合应用到保险机构的运营和保险业务当中，通过对保险业务流程的全面渗入，提升业务效率，改变产品形态，改进服务和交互方式，尽可能地催生新的商业模式，构建新的保险生态。[2019/10/19]

=><aL,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>-?<z*1n,(aR+z*1n)oyn+z2*2n-z*1n*yn+yn-z2*2n>?=?z2*v

=>?<aL-z*1n,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>-<z*1n,-z*1n*yn+yn-z2*2n>=?z2*v

=>?<aL-z*1n,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>=z2*v+<z*1n,-z*1n*yn+yn-z2*2n>

=>?<aL-z*1n,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>=z2*v+<z*1n,(-z*1n+1n)*yn>-<z*1n,?z2*2n>

《全球金融稳定报告》：区块链技术或能提高金融市场基础设施的效率:近日，国际货币基金组织（IMF）发布《全球金融稳定报告（2018年4月）》。报告显示，加密资产背后的技术有可能提高金融市场基础设施的效率。虽然加密资产受到了欺诈、安全漏洞和运营失败的影响，且牵涉到非法活动，但目前来看，加密资产似乎并未造成金融稳定风险。不过，如果它们的使用变得更为广泛却没有适当的保护措施，那么它们就可能造成这种风险。[2018/5/5]

=>?<aL-z*1n,(aR+z*1n)oyn+z2*2n>=z2*v+(z–z2)*<1n,yn>-z3*<1n,2n>???(9)

=>?令

L=?aL-z*1n

R=?(aR+z*1n)oyn+z2*2n

δ=?(z–z2)*<1n,yn>-z3*<1n,2n>

5.验证：

1.证明者把L/R/V发送给验证者；

2.验证者事先算好δ

3.验证者根据L算出来aL，根据<aL,2n>=v算出v

4.验证者根据L,R,v,δ验证等式<L,R>=z2*v+δ

因为y，z都是验证者提供，因此如果验证者如果能验证公式(9)成立，则相信等式(5)(6)(7)成立，则相信等式(2)(3)(4)成立，则相信v满足关系v?。

但是，可以看到上述过程，泄露了v的信息，因此需要一个零知识证明协议。

6.?一个零知识证明协议

由于L,R包含了v的相关信息，因此，我们需要添加两个盲因子s

L

、s

R来隐藏a

L，a

R。如公式(10)(11)所示：

l(X)=(aL-z*1n)+sL*X)??(10)

r(X)=(aR+z*1n+sR*X)oyn+z2*2n???(11)

此时，定义公式(12)

t(X)=<l(X),r(X)>=t0+t1*X+t2*X2???(12)

可以看出系数t

0是l(x)和r(x)常数项的乘积，即满足：

t0=<L,R>=z2*v+δ

因此，问题由证明：

<L,R>=z2*v+δ

转化成了，在任意一点x，验证者验证多项式值l(x),r(x),t(x)满足关系：

<l(x),r(x)>=t(x)

多项式值l(x),r(x),t(x)由证明者提供，为了保证l(x)，r(x)well-formed，即：

l(x)=(aL-z*1n)+sL*x)

r(x)=(aR+z*1n+sR*x)oyn+z2*2n

需要校验：

P=A*Sx*g(-z)*(h`)z*yn+z^2*2^n

=hαgaLhaR*(hρgsLhsR)x*g(-z)*(h`)z*y^n+z^2*2^n

=hαgaLhaR*?hρxgsL*xhsR*x*g(-z)*(h`)z*y^n+z^2*2^n

=hα+ρx*gaL+sL*x–z*1^n*haR+sR*x*(h`)z*y^n+z^2*2^n

=hα+ρx*gaL+sL*x–z*1^n*(h`)y^no(aR+sR*x)*(h`)z*y^n+z^2*2^n

=hα+ρx*gaL+sL*x–z*1^n*(h`)y^no(aR+sR*x)+z*y^n+z^2*2^n

=hα+ρx*gaL+sL*x–z*1^n*(h`)y^no(aR+sR*x+z*1^n)+z^2*2^n

=?hμgl(h`)r

=>当且仅当l/rwell-formed，等式成立

为了保证t(x)well-fromed，即：

t=t0+t1x+t2x2

需要校验：

=>gthτx=?Vz^2*gδ*T1x*T2x^2

=>gthτx=?(hrgv)z^2*gδ*(gt1)x*(hτ1)x*(gt2)x^2*(hτ2)x^2

=>gthτx=?hz^2*r+τ1*x+τ2*x^2*gz^2*v+δ+t1*x+t2*x^2

=>gthτx=?hz^2*r+τ1*x+τ2*x^2*gt0+t1*x+t2*x^2

=>t=?t0+t1*x+t2*x2&&τx=?z2*r+τ1*x+τ2*x2

=>当且仅当t和τxwelle-formed，等式成立

具体的协议流程图如下图所示：

总结

从上述流程可以看出，一次rangeproof，证明者需要发送总共{

l/r/t/

τ

x

/

μ

/T1/T2/A/S}个元素给验证者，总共2n+3个Z

p元素，4个G元素。下一篇文章将细讲，Bulletproofs如何将交互复杂度降低到对数级O(log(n))

附录

1.Bulletproofs论文：

chrome-extension://cdonnmffkdaoajfknoeeecmchibpmkmg/assets/pdf/web/viewer.html?file=https%3A%2F%2Feprint.iacr.org%2F2017%2F1066.pdf

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