零知识证明——基于libsnark的电路构造及证明示例

libsnark库代码层次非常清晰。libsnark也给出了SNARK相关算法的全貌，各种Relation，Language，Proof System。为了更好的生成R1CS电路，libsnark抽象出protoboard和gadget，方便开发者快速搭建电路。在阅读该示例代码前，请仔细阅读libsnark的源代码分析：零知识证明 - libsnark源代码分析

唯一有点遗憾的，libsnark没有给个完整的电路构造实例，入门者想搭建自己的电路，刚开始有点摸不着头脑。

为了方便入门者编写自己的电路，同事写了个基于libsnark构造电路，并生成并验证电路的实例：

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

MolochDAO推出基于零知识证明的“隐私池”加密混合服务:3月7日消息，为以太坊基础设施项目提供资金支持的去中心化自治组织MolochDAO推出基于零知识证明的“隐私池”加密混合服务，旨在保护链上交易时的隐私，同时还允许用户证明他们遵守当地法规。

据悉，MolochDAO的隐私池（Privacy Pools）将利用零知识证明这一隐私保护技术，使用户能够证明他们正在将受制裁的钱包列入黑名单，同时无需透露他们是谁，也无需披露全部交易历史。（The Defiant）[2023/3/7 12:46:33]

入门者，可以基于这个示例开发自己的电路。选择默克尔树作为电路的示例，因为在零知识证明的应用中，大量的使用默克尔树数据结构。

该示例构造了一条merkle路径的验证电路，生成并验证证明。merkle树的深度为3，并且merkle树的计算采用sha256散列函数。代码结构比较清晰，merkle目录中的main.cpp是主函数。circuit目录下的merklecircuit.h是电路的实现。整个项目用cmake进行编译。

零知识证明技术开发公司StarkWare推出第一个公开版本Cairo 1.0:1月6日消息，零知识证明技术开发公司 StarkWare 宣布推出第一个公开版本的 Cairo 1.0，Cairo 于 2020 年作为图灵完备的编程语言首次推出，用于高效编写 STARK 可证明的程序。Cairo 1.0 中最重要的变化之一是语法，新版本的 Cairo 允许编写更安全的代码。Cairo 1.0 还引入了 Sierra，这是一种新的中间表示，可确保每次 Cairo 运行都可以得到证明。StarkWare 表示，预计在接下来的几周内，提供与旧版本相同的 Cairo 1.0 功能，对 StarkNet 合约的支持将在即将到来的 StarkNet Alpha 版本中加入。[2023/1/6 10:24:18]

电路名为MerkleCircuit，主要依赖两个gadget：merkle_authentication_path_variable和merkle_tree_check_read_gadget。merkle_authentication_path_variable提供了merkle树的一条路径。merkle_tree_check_read_gadget检查给定一个叶子节点，是否能计算出正确的root。

多链Web3生态Hacker资助计划Dora Grant DAO首轮零知识投票环节结束:11月14日消息，社区驱动的多链Web3生态开源极客资助计划Dora Grant DAO已于北京时间11月13日23:59在开发者激励平台DoraHacks.io关闭首轮投票通道。投票最终结果和零知识证明文件将于14日晚八时公布。首期20万美金Grant奖金将会根据投票结果的排序进行发放。

Dora Grant DAO计划旨在持续支持在以下三个领域的多链Web3开源极客团队：多链Web3核心基础设施和工具，加密原生应用，加密-前沿科技交叉领域。[2022/11/14 13:01:29]

实现一个电路，主要实现两个接口函数：

generate_r1cs_constraints - 生成R1CS，该电路比较简单，只要让依赖的两个gadget，生成R1CS即可。

加拿大央行研究人员：零知识证明目前不能用于CBDC系统:金色财经报道，加拿大央行的研究人员在一份新分析报告中表示，零知识证明和类似的面向区块链网络隐私的加密方法“尚处于起步阶段”，还没有准备好在中央银行数字货币（CBDC）系统中广泛部署。[2020/6/30]

generate_r1cs_witness - 给所有的变量进行赋值。该电路，需要赋值的变量有root，leaf（叶子节点），和叶子节点配套的默克尔路径，以及默克尔路径对应的地址信息（也就是每一层的节点的位置，左边还是右边）。

整个电路最复杂的就是电路的构造函数，申请变量，创建gadget。其中重点讲一讲，set_input_sizes函数。libsnark的框架中，使用简单的区分public和private变量的模型。通过set_input_sizes函数，设置前几个变量为public变量。

动态 | 0x 协议推出基于零知识证明技术的 StarkDEX 测试版，每秒可处理逾 550 笔交易:去中心化交易协议 0x 宣布推出去中心化交易基础设施 StarkDEX，并提供了 Alpha 测试版供模拟交易。StarkDEX 由 0x 与零知识证明技术开发公司 StarkWare 合作开发，目的是使用 STARKs 技术突破非监管交易的无形限制，使加密货币交易所为用户提供大规模而无对手风险的交易。0x 表示目前 StarkDEX 每区块最多可批量处理 8000 笔交易，每秒可处理逾 550 笔交易，手续费成本则降低 200 倍。[2019/6/4]

pb.set_input_sizes(root_digest->digest_size);也就是说，该电路的公开变量为root的bit个数。

确定了电路的实现，看看main函数，如何生成和验证证明。

在main函数中定义了merkle树计算需要的一些类型：

FieldT默认是bn256椭圆曲线的的Fr，默克尔树计算采用是sha256算法。

3.1 setup

实现了generate_read_keypair函数，生成pk/vk。仔细看一下generate_read_keypair函数，逻辑简单清晰：构造MerkleCircuit，在生成R1CS后，调用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逻辑，首先从输入参数构造一个完整的merkle树，并根据输入选定了默克尔路径。通过generate_read_proof函数生成证明。该函数逻辑也比较清晰：

构造MerkleCircuit，在生成R1CS后，设置各个变量的值。接着通过r1cs_gg_ppzksnark_prover生成证明。

3.3 verify

在获知vk，证明以及公开信息（root）的基础上，调用r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC的接口完成验证。这也就是verify_read_proof函数的逻辑。

在编译之前，同步该项目依赖的libsnark库：

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

mkdir build; cd build; cmake ..编译完成，merkle目录下会生成merkle的可执行文件。

4.2 可信设置（trusted setup）

./merkle setup4.3 生成证明

./merkle prove [data1] [data2] [data3] [data4] [data5] [data6] [data7] [data8] [index]prove命令，需要提供原始的3层merkle树的8个叶子节点，并指定需要证明的第几个叶子节点对应的路径（index指明）。

4.4 验证

./merkle verify [root]其中，root信息是在prove中生成过程中打印出来的root信息（也是公开信息）。如果验证通过，就说明存在一条能生成root的merkle路径，虽然没有公开路径的具体信息。

总结：

libsnark库代码层次非常清晰，并抽象出protoboard和gadget，方便开发者快速搭建电路。本文给出了一个基于libsnark库开发的完整电路示例。示例实现了3层默克尔树的一条默克尔路径的验证。其中默克尔树采用sha256的散列函数。

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