ZKS:技術干貨 | 零知識證明Learn by Coding：libsnark 入門篇_Shark Coin

libsnark是目前實現zk-SNARKs電路最重要的框架，在眾多私密交易或隱私計算相關項目間廣泛應用，其中最著名當然要數Zcash。Zcash在Sapling版本升級前一直使用libsnark來實現電路。毫不夸張地說，libsnark支撐并促進了zk-SNARKs技術的

首次大規模應用，填補了零知識證明技術從最新理論到工程實現間的空缺。

希望通過本系列文章，所有開發者都能親自上手實踐，在短時間內迅速入門libsnark，一步步了解libsnark的基本概念，學會如何開發zk-SNARKs電路，完成證明的生成和驗證，最終將零知識證明應用到真實業務中去。

1、zk-SNARKs和libsnark背景簡介

零知識證明，可能是目前最具應用前景和想象力的密碼學黑科技。而zk-SNARKs正是一類零知識證明方案的簡稱，全稱為Zero-KnowledgeSuccinctNon-interactiveArgumentsofKnowledge。這一名字幾乎包含了其所有技術特征，即可以在不泄露任何其他信息的前提下證明一個命題的正確性，并且最終生成的證明具有簡潔性，也就是說最終生成的證明足夠小，并且與計算量大小無關，是一個常數。用白話說就是，你理論上可以在不暴露任何隱私的情況下向其他所有人證明某件事，并且生成的證明體積很小，校驗成本很低，與需要證明的內容計算量無關。聽起來簡直太美好了！

zk-SNARKs能應用到很多場景，比如隱私保護、區塊鏈擴容、可驗證計算等。本文不介紹zk-SNARKS和零知識證明的理論細節，不熟悉或想深入了解的同學可閱讀其他文章或論文。

如Vitalik寫的關于zk-SNARKs著名的三篇博文。

https://medium.com/

第一步，我們需要將函數?C(x,out)?在libsnark中進行表達。此處先省略，后面介紹詳細過程。

第二步，對應下面的Generator函數（

G），lambda?為隨機產生，也就是常說的trustedsetup過程中產生的"toxicwaste"。人們喜歡稱它為“有廢物”，是因為它必須被妥善處理，否則會影響證明協議安全。

lambda<-random()

(pk,vk)=G(C,lambda)

最終生成provingkey(pk)和verificationkey(vk)。

第三步，對應使用Prove函數（

P）生成證明。這里想證明的是prover知道一個秘密值?x?和計算結果?out?可使等式滿足。因此將?x、out?還有?pk?作為輸入一起傳給?

P，最終生成證明?proof。

proof=P(pk,out,x)

第四步，對應使用Verify函數（

V）驗證證明，將?proof、out?還有?vk?傳給?

G，即可在不暴露秘密的情況下證明存在一個秘密值可使等式滿足。

歐科云鏈集團副總裁：區塊鏈技術支持數字經濟時代發展:9月6日消息，歐科云鏈集團副總裁張超在第二期《歐科會客廳》中表示，區塊鏈技術同5G、IOT(物聯網)、人工智能、大數據等技術一樣，都是數字經濟時代的重要基礎設施，應該統籌使用才能發揮其最大價值。在這些技術串聯中，區塊鏈相當于“動脈”，解決各個角色主體之間的交互邏輯和數據傳輸規則，從而賦能公共安全、物聯網、智慧城市、醫療、共享經濟等多方面。

張超還表示，為了助力數字未來，歐科云鏈集團多年來投入大量精力，專注于區塊鏈底層基礎設施，研發相關產品，融合區塊鏈、大數據、人工智能，致力于打造區塊鏈數據門戶的整體生態。據了解，本期《歐科會客廳》：無限想象的數字未來，區塊鏈可以做什么？由歐科云鏈集團聯合新浪財經共同推出。[2021/9/6 23:03:06]

V(vk,out,proof)?=true

而

開發者主要工作量就集中在第一步，需要按照libsnark的接口規則手寫C++電路代碼來描述命題，由代碼構造R1CS約束。整個過程也即對應下圖的Computation->ArithmeticCircuit->R1CS。

3、搭建zk-SNARKs應用開發環境

下面進入動手環節，快速上手libsnark，跑通例子。

先下載本文對應的libsnark最小可用例子代碼庫?libsnark_abc。

gitclonehttps://github.com/sec-bit/libsnark_abc.git

通過gitsubmodule拉取libsnark代碼。

cdlibsnark_abc

gitsubmoduleupdate--init--recursive

參考libsnark?項目文檔完成相關依賴安裝。以Ubuntu16.04LTS為例，需安裝以下組件：

sudoapt-getinstallbuild-essentialcmakegitlibgmp3-devlibprocps4-devpython-markdownlibboost-all-devlibssl-dev

初始化?build?文件夾。

mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..

這步在macOS系統可能會遇到問題，參考這個issue?處理。或嘗試使用以下命令：

mkdirbuild&&cdbuild&&CPPFLAGS=-I/usr/local/opt/openssl/includeLDFLAGS=-L/usr/local/opt/openssl/libPKG_CONFIG_PATH=/usr/local/opt/openssl/lib/pkgconfigcmake-DWITH_PROCPS=OFF-DWITH_SUPERCOP=OFF..

浦東發布：盒馬鮮生產業基地將運用區塊鏈技術:8月27日消息，盒馬鮮生產業基地將于月底完成結構封頂，規劃效果已初步成形。據悉，盒馬鮮生產業基地將綜合運用5G、物聯網、大數據、云計算、區塊鏈等技術，建設全球最高水平生鮮商品加工中心、半成品及成品食材研發中心、無人自動化冷鏈物流中心。（浦東發布官方公眾號）[2021/8/27 22:40:52]

成功后，依舊在?build?目錄進行編譯。

make

編譯成功后，在?build/src?目錄中可看到3個二進制文件。

main

range

test

到這兒，你就以及完成示例項目的編譯啦。嘗試運行示例代碼吧。

./src/main

最終出現如下日志，則說明一切正常。你已順利擁有了zkSNARK應用開發環境，并成功跑了第一個zk-SNARKs的demo。

4、理解示例代碼

下面我們一起來仔細瞅瞅代碼。示例項目包含了3份代碼。

不妨先看看?src/main.cpp。這個例子來自HowardWu的?libsnark_tutorial，他也是libsnark作者之一哦。本文?libsnark_abc?的項目結構就是依照他的?libsnark_tutorial?搭建，屬于“官方推薦風格”，請放心食用。

只有區區幾十行代碼，其中?run_r1cs_gg_ppzksnark()?是主要部分。很容易發現，真正起作用的實質代碼只有下面5行。

r1cs_gg_ppzksnark_keypair<ppT>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<ppT>(example.constraint_system);

r1cs_gg_ppzksnark_processed_verification_key<ppT>pvk=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_process_vk<ppT>(keypair.vk);

r1cs_gg_ppzksnark_proof<ppT>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<ppT>(keypair.pk,example.primary_input,example.auxiliary_input);

constboolans=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<ppT>(keypair.vk,example.primary_input,proof);

constboolans2=r1cs_gg_ppzksnark_online_verifier_strong_IC<ppT>(pvk,example.primary_input,proof);

市場監管總局執法稽查局局長：長三角地區要探索運用區塊鏈等技術:市場監管總局執法稽查局局長燕軍表示，長三角地區要在中國率先打造市場監管執法“一盤棋”，探索運用大數據、云計算、物聯網、5G網絡、區塊鏈、人工智能等信息共享和數字技術，開展對電商新業態的聯合研究，把改革成果轉化為治理效能，為市場主體發展保駕護航。（中國新聞網）[2020/11/13 14:10:37]

僅從“超長”的函數名就能看出來每步是在做什么，但是卻看不到如何構造電路的細節。實際上這里僅僅是調用了自帶的?r1cs_example，隱去了實現細節。

既然如此，那讓我們通過一個更直觀的例子來學習電路細節。研究?src/test.cpp，這個例子改編自ChristianLundkvist的?libsnark-tutorial(https://github.com/christianlundkvist/libsnark-tutorial)。

代碼開頭僅引用了三個頭文件，分別是：

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

前面提到?r1cs_gg_ppzksnark?對應的是Groth16方案。這里加了?gg?是為了區別?r1cs_ppzksnark，表示GenericGroupModel。Groth16安全性證明依賴GenericGroupModel，以更強的安全假設換得了更好的性能和更短的證明。

第一個頭文件是為了引入?default_r1cs_gg_ppzksnark_pp?類型，第二個則為了引入證明相關的各個接口。pb_variable?則是用來定義電路相關的變量。

下面需要進行一些初始化，定義使用的有限域，并初始化曲線參數。這是相當于每次的準備工作。

typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

接下來就需要明確「待證命題」是什么。這里不妨沿用之前的例子，證明秘密?x?滿足等式?x^3+x+5==out。這實際也是Vitalik博文?"QuadraticArithmeticPrograms:fromZerotoHero"(https://medium.com/

template<typenameppT>

voidtest_r1cs_gg_ppzksnark(size_tnum_constraints,size_tinput_size)

聲音 | 洪蜀寧：沒發生雙花是幸運穩健技術進步才是根本 BSV社區須冷靜:針對4月19日BSV 6個區塊回滾事件，金丘區塊鏈研究院院長洪蜀寧發微博稱，沒有雙花發生僅僅是因為幸運，狂熱的宗教信仰導致的激進行為，遲早有一天會碰壁的。BSV社區必須冷靜下來，穩健的技術進步才是根本。此前4月19日消息，BSV社區一位開發者在主網進行一次短時生成大量交易的壓力測試，導致BSV 6個區塊深度重組，BSV社區表示，這種事件不會導致雙花攻擊，不會造成交易損失。[2019/4/21]

{

??r1cs_example<libff::Fr<ppT>>example=generate_r1cs_example_with_binary_input<libff::Fr<ppT>>(num_constraints,input_size);

??constboolbit=run_r1cs_gg_ppzksnark<ppT>(example);

??assert(bit);

}

intmain(){

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??test_r1cs_gg_ppzksnark<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(1000,100);

??return0;

}

test.cpp

第二個例子?test.cpp。這個例子具體展示了如何利用libsnark構建一個最簡單的電路。

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

usingnamespacelibsnark;

usingnamespacestd;

intmain(){

??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

??//Initializethecurveparameters

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??//Createprotoboard

??protoboard<FieldT>pb;

動態 | 湖南三湘銀行將利用區塊鏈等技術搭建“互聯網+金融”開放平臺:據北國網消息，湖南三湘銀行將云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等創新技術運用于實際業務場景，搭建“互聯網+金融”開放平臺，踐行普惠金融。[2019/2/14]

??//Definevariables

??pb_variable<FieldT>x;

??pb_variable<FieldT>sym_1;

??pb_variable<FieldT>y;

??pb_variable<FieldT>sym_2;

??pb_variable<FieldT>out;

??//Allocatevariablestoprotoboard

??//Thestrings(like"x")areonlyfordebuggingpurposes??

??out.allocate(pb,"out");

??x.allocate(pb,"x");

??sym_1.allocate(pb,"sym_1");

??y.allocate(pb,"y");

??sym_2.allocate(pb,"sym_2");

??//Thissetsuptheprotoboardvariables

??//sothatthefirstone(out)representsthepublic

??//inputandtherestisprivateinput

??pb.set_input_sizes(1);

??//AddR1CSconstraintstoprotoboard

??//x*x=sym_1

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(x,x,sym_1));

??//sym_1*x=y

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_1,x,y));

??//y+x=sym_2

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(y+x,1,sym_2));

??//sym_2+5=~out

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_2+5,1,out));

??

??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();

??//generatekeypair

??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);

??//Addpublicinputandwitnessvalues

??pb.val(out)=35;

??pb.val(x)=3;

??pb.val(sym_1)=9;

??pb.val(y)=27;

??pb.val(sym_2)=30;

??//generateproof

??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());

??//verify

??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);

??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;

??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;

??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;

??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;

}

range.cpp

第三個例子?range.cpp。該例子利用了libsnark自帶的?comparison_gadget?來實現取值范圍證明。

#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>

#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>

#include<libsnark/gadgetlib1/gadgets/basic_gadgets.hpp>

usingnamespacelibsnark;

usingnamespacestd;

intmain(){

??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

??//Initializethecurveparameters

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??//Createprotoboard

??protoboard<FieldT>pb;

??pb_variable<FieldT>x,max;

??pb_variable<FieldT>less,less_or_eq;

??x.allocate(pb,"x");

??max.allocate(pb,"max");

??

??pb.val(max)=60;

??comparison_gadget<FieldT>cmp(pb,10,x,max,less,less_or_eq,"cmp");

??cmp.generate_r1cs_constraints();

??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(less,1,FieldT::one()));

??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();

??//generatekeypair

??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);

??//Addwitnessvalues

??pb.val(x)=18;//secret

??cmp.generate_r1cs_witness();

??//generateproof

??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());

??//verify

??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);

??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;

??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;

??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;

??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;

}

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