zk-SNARKs在Solidity中的使用

本文章主要講述瞭如何在Solidity 中使用zk-SNARKs，以及如何使用ZoKrates 編譯器來生成證明和驗證合約。

這文章不會過於深入zk-SNARKs 的技術原理，這文章目的是為讓讀者能夠理解sk-SNARKs 的技術能在EVM 中達到什麼效果，如何使用，並且能在代碼中運用。

zk-SNARKs 簡介

關於zk-SNARKs 的簡短描述為，我們需要在zk 電路中編寫一段代碼，這段代碼的輸入是一些公開的數據，輸出是一些私有的數據。 zk-SNARKs 的驗證算法可以驗證這段代碼的輸出是否正確，但是驗證算法不會洩露任何私有數據。而Solidity 合約的主要目的是驗證zk-SNARKs 的驗證算法的結果，如果驗證算法的結果正確，那麼合約會執行一些操作。

也就是說，在EVM 上，只是進行了結果的驗證，並沒有進行一些複雜的計算，這些計算都是在zk 電路中進行的。而這部分zk 電路，則是在鏈下進行的，然後將結果提交到鏈上。

在Solidity 中使用zk-SNARKs

首先，我們需要知道zk-SNARKs 可以完成什麼功能，其實很簡單，我們可以簡單的認為，zk-SNARKs 可以完成對一個函數運算結果的校驗，比如說，我們有一個函數，輸入是三個數字，輸出是一個數字，我們可以使用zk-SNARKs 來校驗這個函數的輸出是否正確。但是我們並不需要知道輸入的三個數字是什麼，只需要知道這個函數的輸出即可，也就是說，在一個函數完成計算時，我們可以知道確實是有這麼三個數他能符合這個函數的輸入，並且能輸出正確結果，但是我們並不知道這三個數是什麼。

在Solidity 中，我們可以使用zk-SNARKs 來完成對一個函數的校驗，但是我們需要知道這個函數的輸入和輸出，然後我們可以使用ZoKrates 編譯器來生成zk 電路，然後將zk 電路的代碼放到Solidity 合約中，然後在合約中完成對zk 電路的驗證。

安裝ZoKrates 編譯器

安裝ZoKrates

curl -LSfs get.zokrat.es | sh

也可以選擇其他安裝方式，具體選擇查看他們的Github 頁面。

編寫zk 電路

從上一章節我們淺顯的知道，一個zk-SNARKs 電路需要的最基本的東西為：

• 一個函數- 我們需要有一個函數對數據進行運算，也就是程序 C

• lambda – 所謂的“有毒廢料”，其實就是一個root key，我們需要通過它來生成pk 和vk

有了這兩個基礎條件，用戶就可以通過pk，目標值，輸入值來生成證明w。
隨後，我們的驗證程序通過vk，目標值，證明w 來驗證證明的正確性。

我們先假設有這麼一個第三方，他可以安全的生成lambda，然後安全的將程序和lambda 進行運算生成vk 和pk。

那麼現在有兩個新的角色，user 和project。 user 是用戶，他確確實實擁有著一些數據，project 是項目合約，他需要驗證用戶的數據是否正確。

一個函數

我們首先需要一個函數，但是我並不打算舉一些簡單例子，因為我覺得這樣做非常沒有意義，因為zk-SNARKs 的主要目的是為了驗證一些複雜的函數，而不是一些簡單的函數。

比如，我們現在需要生成一個存款憑證，有這個憑證，我們可以在任何地方取出這筆錢，但是我們並不知道這筆錢是誰的，我們只知道這筆錢是誰存的，存了多少，以及存款的時間。

首先我們需要一個存款函數，這個函數的輸入為存款的金額，和一個隨機數，然後輸出為一個存款憑證。任何擁有這個憑證的人都可以取出這筆資金。所以，實際上，我們只需要編寫驗證知道這個憑證的驗證函數即可。

關於Zok 的語法和用法這裡不過多描述，具體可以參考官網，這裡簡單解釋一下，這個函數的輸入為兩個數字，一個是存款金額，一個是隨機數，然後輸出為一個u32[8]，實際上就是uint256.同時我們注意一下，參數中deposit_amount 沒有private 關鍵詞，說明這個參數是公開數據。

編譯文件

這部分內容在zokrates 中有講述方式為

運行完成後會生成一堆文件，我們需要的是proof.json, proving.key, verification.key, verifier.sol, out。

大部分其實都是模版文件生成文件可能不一樣的地方在於Verifier 合約中verifyingKey，當然，我們閱讀這個文件其實意義也不大，因為這裡面全是一大堆數字和運算。實際上我們需要看的內容就是這些∑

可以看到，我們需要兩個參數,proof 和input。至於這兩個參數是乾嘛的，我們暫時不過多深究。不過我們需要注意的是，在inputs 中，所有的共有參數都會被加入到這個數組中，在數字最開頭部分被推入。

比如，自動生成的proof.json 文件就是一個有效的數據。

至此，我們可以寫一個簡單合約。

要注意的是Verifier 合約中會出現兩個pragma solidity，記得刪掉中間那一個，保留最上面的那個，否則編譯無法通過。

測試

首先我們需要明白一下標準流程，我們需要先進行compile，setup，然後再進行compute-witness，然後再進行generate-proof，最後再進行export-verifier。

但是這套流程並不是每次都必須的，因為這個是一個完整流程。我們需要進行一下區分。

必要條件

• compile – 編譯zk 電路- 只需要執行一次這個功能會生成out 文件和abi.json 文件，這兩個是編譯後的程序。

• setup – 生成zk 電路的pk 和vk – 只需要執行一次這個功能會生成proving.key 和verification.key 文件，這兩個文件是zk 電路的公鑰和私鑰。實際上在進行setup 的時候會產生lambda，但是這些過程我們不需要太過於關心。

提交證明條件

• compute-witness – 生成證明- 這個功能會生成witness 文件，這個文件是一個中間文件。

• generate-proof – 生成證明的Proof – 這個功能會生成proof.json 文件，這個文件是證明需要提交的內容，一般來說裡面的內容就是我們需要提交到鏈上的參數。

接受證明條件

• export-verifier – 生成verifier.sol – 這個功能會生成verifier.sol 文件，這個文件是一個合約，我們需要將這個合約部署到鏈上，然後在我們的合約中調用這個合約來驗證證明的正確性。

• verify – 本地驗證- 這個功能會驗證證明的正確性，但是這個功能並不會生成任何文件。

編寫文件

根據上面內容，我們可以寫出一些用於測試的單元測試邏輯。

項目的基礎文件都放在: https://github.com/nishuzumi/blog/tree/main/sources/zk 中，歡迎Star。