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zk-SNARKs在Solidity中的使用

2023-09-07 登链社区 来源:区块链网络

本文章主要讲述了如何在 Solidity 中使用 zk-SNARKs,以及如何使用 ZoKrates 编译器来生成证明和验证合约。

这文章不会过于深入 zk-SNARKs 的技术原理,这文章目的是为让读者能够理解 sk-SNARKs 的技术能在 EVM 中达到什么效果,如何使用,并且能在代码中运用。

zk-SNARKs 简介

关于 zk-SNARKs 的简短描述为,我们需要在 zk 电路中编写一段代码,这段代码的输入是一些公开的数据,输出是一些私有的数据。zk-SNARKs 的验证算法可以验证这段代码的输出是否正确,但是验证算法不会泄露任何私有数据。而 Solidity 合约的主要目的是验证 zk-SNARKs 的验证算法的结果,如果验证算法的结果正确,那么合约会执行一些操作。

也就是说,在 EVM 上,只是进行了结果的验证,并没有进行一些复杂的计算,这些计算都是在 zk 电路中进行的。而这部分 zk 电路,则是在链下进行的,然后将结果提交到链上。

在 Solidity 中使用 zk-SNARKs

首先,我们需要知道 zk-SNARKs 可以完成什么功能,其实很简单,我们可以简单的认为,zk-SNARKs 可以完成对一个函数运算结果的校验,比如说,我们有一个函数,输入是三个数字,输出是一个数字,我们可以使用 zk-SNARKs 来校验这个函数的输出是否正确。但是我们并不需要知道输入的三个数字是什么,只需要知道这个函数的输出即可,也就是说,在一个函数完成计算时,我们可以知道确实是有这么三个数他能符合这个函数的输入,并且能输出正确结果,但是我们并不知道这三个数是什么。

在 Solidity 中,我们可以使用 zk-SNARKs 来完成对一个函数的校验,但是我们需要知道这个函数的输入和输出,然后我们可以使用 ZoKrates 编译器来生成 zk 电路,然后将 zk 电路的代码放到 Solidity 合约中,然后在合约中完成对 zk 电路的验证。

安装 ZoKrates 编译器

安装 ZoKrates

curl-LSfsget.zokrat.es|sh

也可以选择其他安装方式,具体选择查看他们的 Github 页面。

编写 zk 电路

从上一章节我们浅显的知道,一个 zk-SNARKs 电路需要的最基本的东西为:

一个函数 - 我们需要有一个函数对数据进行运算,也就是程序 C

lambda - 所谓的“有毒废料”,其实就是一个 root key,我们需要通过它来生成 pk 和 vk

有了这两个基础条件,用户就可以通过 pk,目标值,输入值来生成证明 w。
随后,我们的验证程序通过 vk,目标值,证明 w 来验证证明的正确性。

我们先假设有这么一个第三方,他可以安全的生成 lambda,然后安全的将程序和 lambda 进行运算生成 vk 和 pk。

那么现在有两个新的角色,user 和 project。user 是用户,他确确实实拥有着一些数据,project 是项目合约,他需要验证用户的数据是否正确。

一个函数

我们首先需要一个函数,但是我并不打算举一些简单例子,因为我觉得这样做非常没有意义,因为 zk-SNARKs 的主要目的是为了验证一些复杂的函数,而不是一些简单的函数。

比如,我们现在需要生成一个存款凭证,有这个凭证,我们可以在任何地方取出这笔钱,但是我们并不知道这笔钱是谁的,我们只知道这笔钱是谁存的,存了多少,以及存款的时间。

首先我们需要一个存款函数,这个函数的输入为存款的金额,和一个随机数,然后输出为一个存款凭证。任何拥有这个凭证的人都可以取出这笔资金。所以,实际上,我们只需要编写验证知道这个凭证的验证函数即可。

关于 Zok 的语法和用法这里不过多描述,具体可以参考官网,这里简单解释一下,这个函数的输入为两个数字,一个是存款金额,一个是随机数,然后输出为一个 u32[8],实际上就是 uint256.同时我们注意一下,参数中 deposit_amount 没有 private 关键词,说明这个参数是公开数据。

编译文件

这部分内容在 zokrates 中有讲述方式为

运行完成后会生成一堆文件,我们需要的是 proof.json, proving.key, verification.key, verifier.sol, out。

大部分其实都是模版文件生成文件可能不一样的地方在于 Verifier 合约中 verifyingKey,当然,我们阅读这个文件其实意义也不大,因为这里面全是一大堆数字和运算。实际上我们需要看的内容就是这些 ∑

可以看到,我们需要两个参数,proof 和 input。至于这两个参数是干嘛的,我们暂时不过多深究。不过我们需要注意的是,在 inputs 中,所有的共有参数都会被加入到这个数组中,在数字最开头部分被推入。

比如,自动生成的 proof.json 文件就是一个有效的数据。

至此,我们可以写一个简单合约。

要注意的是 Verifier 合约中会出现两个pragma solidity,记得删掉中间那一个,保留最上面的那个,否则编译无法通过。

测试

首先我们需要明白一下标准流程,我们需要先进行 compile,setup,然后再进行 compute-witness,然后再进行 generate-proof,最后再进行 export-verifier。

但是这套流程并不是每次都必须的,因为这个是一个完整流程。我们需要进行一下区分。

必要条件

compile - 编译 zk 电路 - 只需要执行一次 这个功能会生成 out 文件和 abi.json 文件,这两个是编译后的程序。

setup - 生成 zk 电路的 pk 和 vk - 只需要执行一次 这个功能会生成 proving.key 和 verification.key 文件,这两个文件是 zk 电路的公钥和私钥。实际上在进行 setup 的时候会产生 lambda,但是这些过程我们不需要太过于关心。

提交证明条件

compute-witness - 生成证明 - 这个功能会生成 witness 文件,这个文件是一个中间文件。

generate-proof - 生成证明的 Proof - 这个功能会生成 proof.json 文件,这个文件是证明需要提交的内容,一般来说里面的内容就是我们需要提交到链上的参数。

接受证明条件

export-verifier - 生成 verifier.sol - 这个功能会生成 verifier.sol 文件,这个文件是一个合约,我们需要将这个合约部署到链上,然后在我们的合约中调用这个合约来验证证明的正确性。

verify - 本地验证 - 这个功能会验证证明的正确性,但是这个功能并不会生成任何文件。

编写文件

根据上面内容,我们可以写出一些用于测试的单元测试逻辑。

项目的基础文件都放在: https://github.com/nishuzumi/blog/tree/main/sources/zk 中,欢迎 Star。

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编译者/作者:登链社区

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