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。
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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。
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。
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
curl -LSfs get.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。
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:
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。
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。
import "hashes/sha256/512bit" as sha256;
import "utils/pack/u32/nonStrictUnpack256" as unpack256;
// deposit_amount: 存款金额
// secret: 随机数
// returns: 用于取款的commitment
def main(field deposit_amount, private field secret) -> u32[8] {
return sha256(unpack256(deposit_amount), unpack256(secret));
}
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。
这部分内容在 zokrates 中有讲述方式为
# compile
zokrates compile -i deposit.zok
# perform the setup phase
zokrates setup
# execute the program
zokrates compute-witness -a 337 113569
# generate a proof of computation
zokrates generate-proof
# export a solidity verifier
zokrates export-verifier
# or verify natively
zokrates verify
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 ∑
function verifyTx(
Proof memory proof, uint[8] memory input
) public view returns (bool r) {
uint[] memory inputValues = new uint[](8);
for(uint i = 0; i < input.length; i++){
inputValues[i] = input[i];
}
if (verify(inputValues, proof) == 0) {
return true;
} else {
return false;
}
}
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。
{
"scheme": "gm17",
"curve": "bn128",
"proof": {
"a": [
"0x05a83e3c3b3ff9d59bdffdcf7aa655f42b941b0063f82cf26516846056d09aa6",
"0x018039b7de92979ef6251c877971888ae049d09a6b48e5aa98c23ef91550ed36"
],
"b": [
[
"0x1e88e783456a27e4f02dde8c742610339e395eb0bbf7f7efc1113815dcf0a16f",
"0x1cc9de9e60c6519ea69c9b3a71c0809ac7ae3389a598d66fc27d378738d5de29"
],
[
"0x0715544abbc18e741620ff7c76cb2a7d3558ee157d23f275ab65c43c25357d07",
"0x0344257236ba33a3ce7ce34b8d518f7572984036db6f77fc2fc13f51c548a837"
]
],
"c": [
"0x177113e528c76661a03a8f3f072f29e684244297a62926a0000d3a7135c1441f",
"0x18cf275d0bc621473688848946584af771afca42e4f2bd0ef1e5d06e0adefd0f"
]
},
"inputs": [
"0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000151",
"0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000bb3eada7",
"0x000000000000000000000000000000000000000000000000000000004b704815",
"0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000cddda451",
"0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000ca701d2a",
"0x000000000000000000000000000000000000000000000000000000001f278e64",
"0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000ef16f074",
"0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000040e13298",
"0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000026c5da72"
]
}
至此,我们可以写一个简单合约。
// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;
import {Verifier} from "./verifier.sol";
contract Master {
event Despoit(uint256 commitment, uint amount);
mapping(uint => uint) public proofs;
Verifier v;
constructor() {
v = new Verifier();
}
function deposit(uint commitment) public payable {
proofs[commitment] = msg.value;
emit Despoit(commitment, msg.value);
}
function withdraw(
uint commitment,
Verifier.Proof memory proof,
uint[9] memory inputs
) public {
uint amount = inputs[0];
require(v.verifyTx(proof, inputs));
require(proofs[commitment] == amount);
payable(msg.sender).transfer(amount);
}
}
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。
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。
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。
import { expect } from "chai";
import { ethers } from "hardhat";
import { Verifier } from "../typechain-types/Verifier";
import { CompilationArtifacts, ZoKratesProvider } from "zokrates-js";
import { readFileSync } from "fs";
import { Master } from "../typechain-types";
import { resolve } from 'path'
describe("Verifier", function () {
let master: Master;
let zokratesProvider: ZoKratesProvider
const zokArtifacts: CompilationArtifacts = {
program: readFileSync(resolve(__dirname, '../zok/out')),
abi: JSON.parse(readFileSync(resolve(__dirname, '../zok/abi.json'), 'utf-8'))
}
const provingKey = readFileSync(resolve(__dirname, '../zok/proving.key'))
beforeEach(async () => {
const { initialize } = await import("zokrates-js");
zokratesProvider = (await initialize()).withOptions({
backend: 'ark',
curve: 'bn128',
scheme: 'gm17'
});
const bn256 = await ethers.getContractFactory("BN256G2").then((f) => f.deploy());
master = await ethers.getContractFactory("Master", {
libraries: {
"contracts/verifier.sol:BN256G2": bn256.address,
}
}).then((f) => f.deploy());
})
it("should verify a proof", async () => {
const { witness, output } = zokratesProvider.computeWitness(
zokArtifacts,
[`${ethers.constants.WeiPerEther}`, '23'],
)
const commitment = hexListToUint256BigEndian(JSON.parse(output)).toString();
await master.deposit(
commitment,
{ value: ethers.constants.WeiPerEther }
)
const proof = zokratesProvider.generateProof(
zokArtifacts.program,
witness,
provingKey);
const sender = (await ethers.getSigners())[0];
expect(() => master.connect(sender).
withdraw(commitment, proof.proof as Verifier.ProofStruct, proof.inputs)
).to.changeEtherBalance(sender, ethers.constants.WeiPerEther);
})
});
function hexListToUint256BigEndian(hexList: string[]) {
let uint256Data = "0x";
for (const hex of hexList) {
const cleanedHex = hex.replace("0x", "");
uint256Data += cleanedHex;
}
const uint256BigNumber = ethers.BigNumber.from(uint256Data);
return uint256BigNumber;
}
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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