技術|零知識證明 - ethsnarks源代碼導讀_ARK

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。

國家會計學院金融系副教授：平臺的技術特征體現為區塊鏈技術的深度耦合與協同:金色財經報道，近日，國家會計學院金融系副教授黃波濤在接受經濟日報采訪時表示，平臺的技術特征體現為大數據、人工智能、移動互聯網、云計算以及區塊鏈技術的深度耦合與協同。平臺本身并不生產產品，但可以促成買賣雙方或多方之間的交易，實現供給與需求的智能化匹配。從供給端看，各行業產業鏈、供應鏈的組織方式正在快速平臺化，專業化分工體系的撮合越來越高效，大大加速了從技術、創意、設計到產品化、貨幣化的進程。從需求端看，互聯網平臺通過不斷拓展廣度和深度滿足了各類消費需求，提高了全社會資源的配置效率。《經濟日報》[2021/9/4 22:59:38]

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;

國家發展改革委：依托區塊鏈等技術探索能源發展新模式:2021年7月23日，國家發展改革委，國家能源局發布關于加快推動新型儲能發展的指導意見，意見包括積極支持用戶側儲能多元化發展，鼓勵圍繞分布式新能源、微電網、大數據中心、5G基站、充電設施、工業園區等其他終端用戶，探索儲能融合發展新場景。鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側儲能等分散式儲能設施，依托大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等技術，結合體制機制綜合創新，探索智慧能源、虛擬電廠等多種商業模式。[2021/7/25 1:13:45]

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)

阿里巴巴廣東成立新公司，經營范圍含區塊鏈技術相關軟件和服務:近日，阿里巴巴（廣東）科技有限公司成立。該公司注冊資本為1000萬人民幣，法定代表人為陶雪飛，經營范圍含人工智能通用應用系統；科技中介服務；人工智能基礎軟件開發；電子專用材料研發；軟件外包服務；區塊鏈技術相關軟件和服務等，該公司由阿里巴巴（中國）有限公司全資持股。(天眼查)[2020/11/9 12:04:52]

{

VariableTx;

x.allocate(in_pb,annotation);

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。

公告 | 深大通：進入工業大麻領域是綜合考慮工業大麻的前景和區塊鏈技術優勢的結果:據中國證券報消息，5月30日晚，深大通回復深交所關注函表示，公司看好工業大麻的廣闊發展前景，并結合公司在區塊鏈上的優勢及中長期發展戰略，經綜合考慮決定進入工業大麻領域，不存在利用工業大麻炒作概念。[2019/5/31]

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。

分析 | 區塊鏈技術已成為存儲或交換基因組數據的可行選擇:據businesswire報道，根據ResearchAndMarkets發布的《基因組數據管理中的區塊鏈：全球市場格局和競爭洞察（2018-2030）》報告，區塊鏈技術已成為存儲或交換基因組數據的可行選擇。在基因組學領域，區塊鏈可以作為在數據所有者和數據用戶（研究組/制藥公司）之間進行交易的可信手段。此外，這些平臺可以輕松訪問基因組數據集，從而顯著改善與個性化藥物或療法相關的研究的信息采購過程。因此，許多公司已采取措施促進區塊鏈技術用于基因組數據管理。[2018/12/13]

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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