L2 - zkSync证明聚合

PLONK算法虽然只需要一次初始设置，但是证明的计算复杂度相对Groth16算法更高。PLONK算法的好处，远不止初始设置这么简单，因为任何电路都可以共用初始设置，PLONK算法本身的验证逻辑也可以使用初始设置。也就是说，基于PLONK算法可以构建算法验证的电路，从而基于PLONK算法可以证明PLONK算法的证明。

Matter-Labs开源了PLONK算法的验证电路，能证明多个PLONK证明，相关代码链接如下：

https://github.com/matter-labs/recursive_aggregation_circuit

代码量相对比较小，一切从RecursiveAggregationCircuit的synthesize函数开始。

synthesize函数

synthesize的逻辑相对清晰。整个电路实现了如下的功能：

1/ 电路“验证”所有需要证明的proof是否正确

2/ 验证“验证”proof对应的vk是否是指定的那些vk（存储在智能合约）

3/ 打包(packing)所有的公开输入信息（使用sha256算法）

整个逻辑如下图所示，图中的1/2/3就是对应的功能。

步骤2/3比较简单易懂。核心在步骤1。aggregrate_proof函数实现电路验证某个proof是否正确。

let mut pairs_for_generator = vec![];
let mut pairs_for_x = vec![];

for proof_idx in 0..self.num_proofs_to_check {
    let proof = &proof_witnesses[proof_idx];
    let vk = &vk_witnesses[proof_idx];

    let [pair_with_generator, pair_with_x] = aggregate_proof::<_, _, T, CS::Params, P, _, _>(
        cs,
        self.transcript_params,
        &proof.input_values,
        &vk,
        &proof,
        &self.aux_data,
        self.rns_params,
    )?;

    pairs_for_generator.push(pair_with_generator);
    pairs_for_x.push(pair_with_x);
}

验证后输出两个结果：pair_with_generator 和 pair_with_x。

查看PlonK算法的验证逻辑的最后可以发现，验证的最后一步是验证两个配对函数：

左边的配对函数的g2部分是x，右边的配对函数的g2部分是1（generator）。查看aggregate_proof的函数发现，该“验证”电路，并不验证配对函数的结果是否相等。所以，“验证”电路并没有完整的验证。

aggregate_proof证明了pair_with_generator 和 pair_with_x计算正确。感兴趣的小伙伴可以自行查看该函数。在获得了所有证明的pair_with_generator 和 pair_with_x后，“聚合”在一起。

为了防止攻击，“聚合”采用随机因子：

let mut sponge = StatefulRescueGadget::<E>::new(self.rescue_params);

for w in fs_witnesses.into_iter() {
    sponge.absorb_single_value(cs, w, self.rescue_params)?;
}

sponge.pad_if_necessary(self.rescue_params)?;

let aggregation_challenge = sponge
    .squeeze_out_single(cs, self.rescue_params)?
    .into_allocated_num(cs)?;

绑定proof信息生成随机信息。aggregation_challenge就是随机因子，记作c。

let mut scalars = vec![];
scalars.push(aggregation_challenge.clone());

let mut current = aggregation_challenge.clone();
for _ in 1..self.num_proofs_to_check {
    let new = current.mul(cs, &aggregation_challenge)?;
    scalars.push(new.clone());

    current = new;
}

每个pair_with_generator/x前面的系数是c^n。在获得相应点对应的系数后，最后做一次multiexp，将多个点“聚合”在一起。

let pair_with_generator = WP::multiexp(
    cs,
    &scalars,
    &pairs_for_generator,
    None,
    self.rns_params,
    &self.aux_data,
)?;
let pair_with_x = WP::multiexp(
    cs,
    &scalars,
    &pairs_for_x,
    None,
    self.rns_params,
    &self.aux_data,
)?;

整个过程示意如下：

通过这种方法，原本每个proof都需要进行配对函数的验证计算，变成了一次配对函数的验证计算。特别注意的是，配对函数的验证并不是在电路中验证的，这部分的验证在“智能合约”中检查。查看contract/PlonkCore.sol文件的verify_recursive函数：

function verify_recursive(
    Proof memory proof,
    VerificationKey memory vk,
    uint256 recursive_vks_root,
    uint8 max_valid_index,
    uint8[] memory recursive_vks_indexes,
    uint256[] memory individual_vks_inputs,
    uint256[16] memory subproofs_limbs
) internal view returns (bool) {
    (uint256 recursive_input, PairingsBn254.G1Point[2] memory aggregated_g1s) = reconstruct_recursive_public_input(
        recursive_vks_root, max_valid_index, recursive_vks_indexes,
        individual_vks_inputs, subproofs_limbs
    );

    assert(recursive_input == proof.input_values[0]);

    (bool valid, PairingsBn254.G1Point[2] memory recursive_proof_part) = aggregate_for_verification(proof, vk);
    if (valid == false) {
        return false;
    }

    // aggregated_g1s = inner
    // recursive_proof_part = outer
    PairingsBn254.G1Point[2] memory combined = combine_inner_and_outer(aggregated_g1s, recursive_proof_part);

    valid = PairingsBn254.pairingProd2(combined[0], PairingsBn254.P2(), combined[1], vk.g2_x);

    return valid;
}

该函数通过aggregate_for_verification函数检查提交的聚合proof本身是否正确。在聚合正确的基础上，调用PairingsBn254.pairingProd2检查“聚合”过的pair_with_x/generator是否正确。

到此，可以看出，这是一种”聚合“证明验证电路，能”部分“验证多个基于PlonK算法的证明。看懂了synthesize函数，再看证明的接口函数就比较容易理解：create_recursive_circuit_vk_and_setup和proof_recursive_aggregate_for_zksync。感兴趣的小伙伴可以自行查看。

电路的核心是电路的验证，PlonK算法的验证都是基于“点”的运算。该电路是如何证明一个椭圆曲线上的点的运算是核心中的核心。

点运算证明

点运算的电路实现在franklin-crypto库的src/plonk/circuit/curve/sw_affine.rs文件中：

pub fn multiexp<CS: ConstraintSystem<E>>(
    cs: &mut CS,
    scalars: &[Num::<E>],
    points: &[Self],
    bit_limit: Option<usize>
) -> Result<Self, SynthesisError> {

电路证明multiexp采用的是NAF查表法。scalar从高到低的每个bit上点算出来后，double-add。MultiexpTable就是NAF建立的映射表。

有趣的是，在Fq上的点(AffinePoint)的表示：

pub struct AffinePoint<'a, E: Engine, G: CurveAffine> where <G as CurveAffine>::Base: PrimeField {
    pub x: FieldElement<'a, E, G::Base>,
    pub y: FieldElement<'a, E, G::Base>,
    pub value: Option<G>,
}

pub struct FieldElement<'a, E: Engine, F: PrimeField>{
    // this is kind-of normal UintX limbs
    pub binary_limbs: Vec<Limb<E>>,
    // we can not multiply by power of modulus of our base field E,
    // so we keep only one single limb
    pub base_field_limb: Term<E>,

    pub representation_params: &'a RnsParameters<E, F>,
    pub value: Option<F>,
}

pub struct Limb<E: Engine> {
    pub term: Term<E>,
    pub max_value: BigUint,
}

为了在Fr上能模拟Fq上的点，Fq上的点分成多个Limb。每个Limb都有单独的变量(Variable)。具体的点的运算以及Multiexp的电路证明，感兴趣的小伙伴可以查看相关代码。

总结：

Matter-Labs开源了PLONK算法的验证电路，能实现多个PLONK证明的聚合证明。聚合电路证明某个证明可验证，并且验证使用的VK是正确的。注意的是，PLONK算法验证的最后一步（配对函数）并没有在电路中验证，而是依赖智能合约进行验证。

<img src="https://img.learnblockchain.cn/pics/image-20210506202627638.png" alt="image-20210506202627638" style="zoom:50%;" />