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

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。

動態 | 濟南高新區打造人力資本平臺 借助區塊鏈技術提高資金利用效率:據新華網1月21日消息，濟南高新區2018年提出打造人力資本產業公共服務平臺，2019年正式上線“人才有價”評估平臺，以人才為支點，將人的綜合信用以“身價”形式呈現，在金融機構獲取投資，解決中小企業融資難問題。據了解，為確保資金合規使用，人力資本平臺通過區塊鏈技術，實現每筆花銷可追蹤，實時監測交易是否合理合規，降低金融風險，提高資金利用效率。[2020/1/22]

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..

動態 | “北京云·融媒體”與人民網等單位共建“人民版權，通過區塊鏈技術，實現版權保護:日前，歌華有線承建的“北京云·融媒體”市級技術平臺正式上線運營。“北京云·融媒體”與人民網等單位共建“人民版權”，與國家監管機構、權威媒體機構、版權中心、仲裁機構、公證機構、互聯網法院等共建版權保護聯盟，通過區塊鏈技術，實現版權保護，促進內容共享，促進各級媒體內容原創、共享的積極性，解決媒體內容確權難、維權難、用權難的問題，發揮北京市作為全國文化中心在版權保護方面的領先示范作用。(每日經濟新聞)[2019/12/30]

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);

動態 | 河北省將積極探索大數據、區塊鏈等新技術監管創新模式:從河北省政府了解到，自12月1日起，在中國（河北）自由貿易試驗區雄安片區、正定片區、曹妃甸片區和大興機場片區等四個片區，對所有涉企經營許可事項實行全覆蓋清單管理，共540項。河北省將全面推行“雙隨機、一公開”監管、跨部門聯合監管和“互聯網+監管”，積極探索大數據、物聯網、區塊鏈等新技術監管創新模式。對新業態新模式實行包容審慎監管，對高風險行業和領域實行重點監管。（新華社)[2019/12/5]

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

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/

動態 | 日本經濟產業省發布“大學、研究機構采用區塊鏈技術的可能性”主題報告:據日本經濟產業省官網消息。4月23日，日本經濟產業省發布了以“大學、研究機構采用區塊鏈技術的可能性”為主題的調查報道。 報告提到，雖然區塊鏈技術仍處于發展之中，但其可以根據需要應用于各個領域，有必要分析該技術投入實用的需求和問題，并確保區塊鏈的持久性。在“學位、履歷管理”領域，區塊鏈技術可用于“正確核實任何已不復存在的發行人過去曾簽發的證書”，這在現有制度下是很難做到的。而在“研究數據可信度擔保”領域，海內外已有一些組織正運行著具有一定可性度的中心化系統，只要這些系統具有成本優勢且功能正常，就沒有必要強行應用區塊鏈技術。 報告總結到，隨著（日本）加密貨幣交易市場的日益活躍，以金融機構為中心的區塊鏈技術應用研究開發、技術實驗也日趨活躍。從國際競爭力的角度考慮，有必要穩步發展區塊鏈技術，并將標準化工作與推廣切實聯系起來。[2019/4/23]

template<typenameppT>

voidtest_r1cs_gg_ppzksnark(size_tnum_constraints,size_tinput_size)

{

??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;

動態 | 民生保險采用區塊鏈技術升級保險服務:據中國財經時報網消息，日前，民生保險多個項目入選“2018年中國保險業信息化建設經典案例優選示范活動”，此前民生保險與萬向區塊鏈成立了聯合創新小組專注于區塊鏈技術創新，分布式商業創新。此外，民生健康還采用了區塊鏈技術及其理念改造保險產品和升級服務。[2018/10/30]

usingnamespacestd;

intmain(){

??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;

??//Initializethecurveparameters

??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();

??//Createprotoboard

??protoboard<FieldT>pb;

??//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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