零知識證明——基于libsnark的電路構造及證明示例_BSP

libsnark庫代碼層次非常清晰。libsnark也給出了SNARK相關算法的全貌，各種Relation，Language，Proof System。為了更好的生成R1CS電路，libsnark抽象出protoboard和gadget，方便開發者快速搭建電路。在閱讀該示例代碼前，請仔細閱讀libsnark的源代碼分析：零知識證明 - libsnark源代碼分析

唯一有點遺憾的，libsnark沒有給個完整的電路構造實例，入門者想搭建自己的電路，剛開始有點摸不著頭腦。

為了方便入門者編寫自己的電路，同事寫了個基于libsnark構造電路，并生成并驗證電路的實例：

https://github.com/StarLI-Trapdoor/libsnark_sample

Mina開發團隊O(1)Labs擬將零知識證明技術應用于OP Stack欺詐證明:6月29日消息，輕量級區塊鏈協議Mina開發團隊O(1)Labs已向Optimism提交提案，建議將旗下基于MIP SzkVM構建的零知識證明技術應用于OP Stack欺詐證明，其中MIPS功能除了除了本地高性能的snarky JS外，還允許使用通用語言編寫應用程序。[2023/6/29 22:07:25]

入門者，可以基于這個示例開發自己的電路。選擇默克爾樹作為電路的示例，因為在零知識證明的應用中，大量的使用默克爾樹數據結構。

該示例構造了一條merkle路徑的驗證電路，生成并驗證證明。merkle樹的深度為3，并且merkle樹的計算采用sha256散列函數。代碼結構比較清晰，merkle目錄中的main.cpp是主函數。circuit目錄下的merklecircuit.h是電路的實現。整個項目用cmake進行編譯。

零知識證明公司RISC Zero與L2協議Layer N聯合推出零知識欺詐證明系統:5月24日消息，零知識證明初創公司RISC Zero宣布與模塊化L2協議Layer N聯合推出零知識欺詐證明系統。該系統通過將Layer N的執行環境移植到RISC Zero的zk虛擬機上，以實現提升區塊鏈性能的同時，保證區塊鏈的可靠性和安全性。未來，zkVM還將實現與其他執行層的兼容，如EVM、SVM和WASM等。

此前報道，去年8月，零知識證明初創公司RISC Zero宣布完成1200萬美元種子輪融資，Bain Capital Crypto領投。[2023/5/24 22:15:02]

電路名為MerkleCircuit，主要依賴兩個gadget：merkle_authentication_path_variable和merkle_tree_check_read_gadget。merkle_authentication_path_variable提供了merkle樹的一條路徑。merkle_tree_check_read_gadget檢查給定一個葉子節點，是否能計算出正確的root。

Polygon聯合創始人：承諾為零知識技術投資10億美元:12月25日消息，Polygon聯合創始人Sandeep Nailwal在接受采訪時表示，根據PolygonScan瀏覽器，Polygon平均出塊時間約為2.3秒，以太坊平均出塊時間則是15秒。然后Gas費大概是0.001 MATIC。

關于投資零知識技術的目標，Nailwal回答稱，“我們承諾為零知識技術投資10億美元，我們認為這是區塊鏈擴展的圣杯。隱私是第二個因素——這是每個人都會感到困惑的一個因素。因此，您可以使用ZK在以太坊上驗證計算，而無需發回全部數據。相反，您只需證明在第二層上所有計算都是正確的，并將一個簡潔的證明放回到以太坊。”

Nailwal還表示，“即使ETH 2.0升級已經實現，也不會提供足夠的可擴展性。明年，PoS升級將保持一切不變；就像以太坊現在每秒有13筆交易（TPS），在PoS之后也許會達到20 TPS，但不會超過這個數字。所以這不會增加任何可擴展性。假設在三到五年內，即使實現分片，我們預測會有64個分片，每個分片每秒處理20筆交易，但總的來說還是每秒1280筆交易，對嗎？這對整個世界來說還是不夠的。”（Cointelegraph）[2021/12/25 8:03:07]

實現一個電路，主要實現兩個接口函數：

StarkWare零知識證明驗證程序ethSTARK已通過PeckShield安全審計:8月11日消息，區塊鏈安全公司PeckShield官方宣布，StarkWare公司零知識證明驗證程序ethSTARK已通過其全面安全審計服務。

ethSTARK是一個以太坊基金會支持的，由StarkWare公司開發的零知識證明（ZKP，Zero Knowledge Proof) 驗證程序，它實現了比現有ZKP算法更快的驗證速度，進一步提升了StarkWare在零知識證明領域的技術影響力。[2020/8/11]

generate_r1cs_constraints - 生成R1CS，該電路比較簡單，只要讓依賴的兩個gadget，生成R1CS即可。

generate_r1cs_witness - 給所有的變量進行賦值。該電路，需要賦值的變量有root，leaf（葉子節點），和葉子節點配套的默克爾路徑，以及默克爾路徑對應的地址信息（也就是每一層的節點的位置，左邊還是右邊）。

聲音 | V神：零知識證明技術對Layer 2更有幫助:在萬向區塊鏈實驗室主辦的第五屆區塊鏈全球峰會上，當被問及最新進展時，V神表示目前正在關注零知識證明，該技術經過十幾年的發展仍然有創新，Zk-SNARKs就取得了一些進步。V神還表示，零知識證明對Layer 2 也許并沒有太大幫助，但對Layer 2也許會有幫助。[2019/9/18]

整個電路最復雜的就是電路的構造函數，申請變量，創建gadget。其中重點講一講，set_input_sizes函數。libsnark的框架中，使用簡單的區分public和private變量的模型。通過set_input_sizes函數，設置前幾個變量為public變量。

pb.set_input_sizes(root_digest->digest_size);也就是說，該電路的公開變量為root的bit個數。

確定了電路的實現，看看main函數，如何生成和驗證證明。

在main函數中定義了merkle樹計算需要的一些類型：

FieldT默認是bn256橢圓曲線的的Fr，默克爾樹計算采用是sha256算法。

3.1 setup

實現了generate_read_keypair函數，生成pk/vk。仔細看一下generate_read_keypair函數，邏輯簡單清晰：構造MerkleCircuit，在生成R1CS后，調用r1cs_gg_ppzksnark_generator生成pk/vk。

pk存放在merkle_pk.raw文件中，vk存放在merkle_vk.raw中。

3.2 prove

prove邏輯，首先從輸入參數構造一個完整的merkle樹，并根據輸入選定了默克爾路徑。通過generate_read_proof函數生成證明。該函數邏輯也比較清晰：

構造MerkleCircuit，在生成R1CS后，設置各個變量的值。接著通過r1cs_gg_ppzksnark_prover生成證明。

3.3 verify

在獲知vk，證明以及公開信息（root）的基礎上，調用r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC的接口完成驗證。這也就是verify_read_proof函數的邏輯。

在編譯之前，同步該項目依賴的libsnark庫：

git submodule update --init --recursive4.1 編譯

mkdir build; cd build; cmake ..編譯完成，merkle目錄下會生成merkle的可執行文件。

4.2 可信設置（trusted setup）

./merkle setup4.3 生成證明

./merkle prove [data1] [data2] [data3] [data4] [data5] [data6] [data7] [data8] [index]prove命令，需要提供原始的3層merkle樹的8個葉子節點，并指定需要證明的第幾個葉子節點對應的路徑（index指明）。

4.4 驗證

./merkle verify [root]其中，root信息是在prove中生成過程中打印出來的root信息（也是公開信息）。如果驗證通過，就說明存在一條能生成root的merkle路徑，雖然沒有公開路徑的具體信息。

總結：

libsnark庫代碼層次非常清晰，并抽象出protoboard和gadget，方便開發者快速搭建電路。本文給出了一個基于libsnark庫開發的完整電路示例。示例實現了3層默克爾樹的一條默克爾路徑的驗證。其中默克爾樹采用sha256的散列函數。

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