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密码协议形式化分析与可证明安全实验——Cricom实验

环境安装

环境：WIN10 x64

criom是基于Rust开发的，因此主机需要配有Rust环境。

snarkjs需要node环境。

rust安装及配置

安装及配置参考 作者：荔枝味汽水 windows安装rust详细教程

windows安装rust详细教程 - 知乎 (zhihu.com)

注意：本人的cargo换国内源选择的 清华源

再进行配置时，最后一步在.cargo文件中新建的config文件中的配置为：

[source.crates-io]
replace-with = 'tuna'

[source.tuna]
registry = "https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/crates.io-index.git"

否则在使用cargo build时会出现以下问题：

node.js安装及配置

安装及环境配置参考 作者：WHF__ 的Node.js下载安装及环境配置教程【超详细】

Node.js下载安装及环境配置教程【超详细】_nodejs下载-CSDN博客

安装cricom

在此我选择将Cricom下载到 C盘

git clone https://github.com/iden3/circom.git

进入criom目录

cargo build --release

等待编译完成

编译完成后执行安装命令

cargo install --path circom

等待安装完毕，使用 --help查看criom 版本

安装snarkjs

npm install -g snarkjs@latest

构建电路与证明

准备工作 -电路部分

首先在circom目录下创建一个电路文件，文件命名为：circuit.circom，具体内容如下

pragma circom 2.1.4; 
template Multiplier() { 
    signal input a; 
    signal input b; 
    signal output c; 
    c <== a*b; 
} 

component main = Multiplier();

第一行表示指定编译该电路用到的circom版本为2.1.4

电路包含三个变量，其中a,b为输入，输出为c，该电路可以证明Prover知道两个数字a和b，其乘积为c 这里第5行的 <== 符号有两个含义：将值与变量 c 相关联，然后是施加约束 a*b 之后是将该电路声明为Multiplier模板，并用main组件将该模板实例化

circom在编译电路时必须要有一个main组件

之后执行下列命令编译电路

circom circuit.circom --r1cs --wasm --sym

编译完成后结果：

这里的三个参数：

  • r1cs：生成基于R1CS约束系统的电路，得到一个.r1cs的二进制文件
  • wasm：生成一个基于circuit_js的目录（目录明取决于电路名），目录内包含一个wasm文件和其他用于生成witness的相关文件
  • sym：生成一个.sym的符号文件，用于调试和打印约束系统

circom目录中会多出俩个文件：分别是文件circuit.rics ， 文件circuit.sym 和文件夹circuit_js

如果还加了 --c 参数，则还会生成一个 _cpp 目录，里面包含了相关的.cpp，.dat，MakeFile等等文件， 这些文件将用于编译C代码以生成witness文件

此外可以采用 -o 参数来指定生成的目录名（如果不加这个参数，则默认目录名为 circname_js ，这里 circname是你的.circom电路文件的名字

编译电路后，可以用snarkjs的相关命令来查看电路，先看一下snarkjs的帮助文件

r1cs info                   Print statistiscs of a circuit
    Usage: snarkjs ri [circuit.r1cs]
r1cs print                  Print the constraints of a circuit
    Usage: snarkjs rp [circuit.r1cs] [circuit.sym]

这里用ri参数可以查看电路信息（或者用r1cs info也可以）

snarkjs ri circuit.r1cs

输出表示电路采用的曲线为bn-128，包含4个导线，其中2个私有输入，一个输出，输入输出之间包含一 个约束关系

或者使用rp参数查看电路中的约束（或者用print r1cs也可以）

snarkjs rp circuit.r1cs

这里忽略掉前面的系数，得到的约束就是 到此为止，电路就编译好了，接下来需要给电路特定的输入，也就是构建witness，这里就需要用到前面 生成的wasm文件

snarkjs采用json文件的方式将witness输入电路，需要准备一个 input.js 文件，如下

{"a": "3", "b": "11"}

  • 注意这里的输入均为字符串，因为JS无法处理大于 的整数，所以转换为字符串形式处理

将这个json文件放到刚刚生成的circuit_js下面，此时目录里面应该有四个文件，分别是：

然后在该目录下执行下列命令

node generate_witness.js circuit.wasm input.json witness.wtns

这样就得到了 witness.wtns 的证据文件，之后将利用这个文件来生成对应的snark证明

如果说前面使用了 --c 参数，则可以进入到对应的cpp目录中，同时将对应的input.json文件放到该目录 下，在该cpp目录下执行make命令即可

准备工作-可信设置部分

证明生成需要两个文件，一个是前面构造电路时生成的r1cs文件 circuit.r1cs ，另一个是证据文件 witness.wtns

接下来以Groth16为例来生成证明 Groth16需要为每个电路都执行一次可信设置，因此在证明生成之前还需要针对电路完成一些准备工 作，Plonk和FFlonk无需为每个电路都执行可信设置，Plonk和FFlonk的生成过程可以看

Groth16的可信设置由两部分组成

  • \tau的幂次：这一部分与电路无关
  • phase 2：这一部分取决于电路

首先来生成 的幂次，命令如下

snarkjs powersoftau new bn128 12 pot12_0000.ptau -v

利用 new 命令创建\tau的幂次，这里有几个参数说明一下

  • 第一个参数为指定需要的曲线，snarkjs支持bn128和bls12-381两种曲线
  • 第二个参数为约束参数，表示可信设置所支持的最大约束的数量，这里的12表示可信设置最多支持 2^{12} = 4096个约束，这个参数的最大值为28，也即snarkjs可以生成具有至多2^{28}\approx 2.68*10^{8}个约束的电路

生成之后会在目录下得到一个 pot12_0000.ptau 文件

接下来需要用 contribute 命令，使用新的贡献来创建一个ptau文件

snarkjs powersoftau contribute pot12_0000.ptau pot12_0001.ptau --name="First contribution" -v

这里会提示输入一些随机文本来为贡献提供额外的熵源，这里随便输就行，比如输入contribution" -v

contribute命令会将截止至现在的所有ptau文件作为输入（截止至目前为止的ptau文件为上面新建的 pot12_0000.ptau ），同时输出一个新的ptau文件 pot12_0001.ptau ，该文件中包含新贡献者执行的计算

contribute的过程还可以使用第三方软件来更新，比如下面这样（这里用的是这个库的bn-256曲线构建）

snarkjs powersoftau export challenge pot12_0001.ptau challenge_0003

snarkjs powersoftau challenge contribute bn128 challenge_0003 response_0003 - e="some random text"

snarkjs powersoftau import response pot12_0001.ptau response_0003 pot12_0002.ptau -n="Third contribution name"

更新完成之后，用 verify 命令验证截止至目前为止的ptau（只执行了一次更新，所以验证0001这个 ptau文件）

snarkjs powersoftau verify pot12_0001.ptau

这里只是生成 的幂，还没有执行phase 2的命令，因此此时运行后系统会输出[WARN]提示

不过验证通过了，就没什么问题

这里注意一点，每当新的zk-snark需要执行可信设置时，只需要对最新的ptau文件执行verify命令，即可 验证截止到目前为止的整个挑战和相应链

接下来是利用beacon命令创建一个ptau文件，这个ptau文件会以随机beacon的形式对ptau文件完成贡 献，可信设置的第一阶段需要对其应用一个随机beacon

引入beacon的命令如下

snarkjs powersoftau beacon pot12_0001.ptau pot12_beacon.ptau1cbf6603d6ff9ba4e1d15d0fd83be3a80bca470b6a43a7f9055204e860298f99 10 -n="Final Beacon"

这里利用了以太坊第16668892个区块的Hash值作为beacon值，后面的参数10表示以该beacon值作为输入，计算2^{10}次Hash

接下来是可信设置的第二部分，也即phase 2

phase 2用到的命令为 prepare phase2 ，该命令会用到前面输出的 pot12_beacon.ptau 文件，并基于 该文件计算基于\tau ,\alpha *\tau ,\beta *\tau 的拉氏插值多项式，命令如下

snarkjs powersoftau prepare phase2 pot12_beacon.ptau pot12_final.ptau -v

输入命令之后，电脑会算一阵子，计算的时间取决于曲线、第一阶段中允许的约束数量（约束数量越 大，计算时间越长）

生成完最终ptau文件后，别忘了用 verify 命令验证一下

snarkjs powersoftau verify pot12_final.ptau

密钥生成

准备完毕之后，接下来是根据电路构建证明与验证密钥

首先将circuit.r1cs文件复制到C:\circom\circuit_js目录下

用电路和上面的最终ptau文件生成一个zkey文件，该文件是一个零知识密钥文件，包含phase 2的所有贡献，以及用于证明和验证的密钥，利用这个zkey文件可以验证其是否属于特定的电路

snarkjs groth16 setup circuit.r1cs pot12_final.ptau circuit_0000.zkey

这里得到的 circuit_0000.zkey 文件不包含任何贡献，不能用于最终电路的证明，因此需要执行前面 的贡献更新步骤

接下来使用 zkey 命令来对zkey文件进行贡献更新（前面用的是 powersoftau 命令，基本流程是一样 的）

snarkjs zkey contribute circuit_0000.zkey circuit_0001.zkey --name="First Contributor Name" -v #这里依然输入之前输入的值

snarkjs zkey contribute circuit_0001.zkey circuit_0002.zkey --name="Second contribution Name" -v -e="Another random entropy"

snarkjs zkey verify circuit.r1cs pot12_final.ptau circuit_0002.zkey # 更新完贡献记得验证一下

然后引入随机beacon值并验证

snarkjs zkey beacon circuit_0002.zkey circuit_final.zkey
1cbf6603d6ff9ba4e1d15d0fd83be3a80bca470b6a43a7f9055204e860298f99 10 -n="Final Beacon phase2"

snarkjs zkey verify circuit.r1cs pot12_final.ptau circuit_final.zkey #同样引入beacon后验证一下

之后基于该zkey文件，导出一个验证密钥，导出的密钥为json格式

snarkjs zkey export verificationkey circuit_final.zkey verification_key.json

证明生成

接下来利用电路和证明密钥来构建证明

snarkjs groth16 prove circuit_final.zkey witness.wtns proof.json public.json

命令执行完毕后，可以得到两个json文件：

  • 一个是 public.json
  • 另一个是 proof.json

public.json文件中是33，我们前面给的witness分别是3和11，因此3*11=33 正确

proof.josn里面包含用于验证的元素

上面三个就是Groth16中三个用于配对的元素

这里官方给了一个一步到位的方式，可以在一条命令里面同时构建witness文件和证明，如下 

# Groth16
snarkjs groth16 fullprove input.json circuit.wasm circuit_final.zkey 
proof.json public.json

# Plonk
snarkjs plonk fullprove witness.json circuit.wasm circuit_final.zkey 
proof.json public.json

# FFlonk
snarkjs fflonk fullprove witness.json circuit.wasm circuit_final.zkey
proof.json public.json

验证

利用上述两个json文件可以验证证明

snarkjs groth16 verify verification_key.json public.json proof.json

如果输出下列信息说明验证通过了

现在把 把public.json里面的33改成32

再执行一次验证命令，此时会输出验证失败

模拟执行

最后是将验证密钥导出为Solidity智能合约，就可以将这个合约发布到链上了

snarkjs zkey export solidityverifier circuit_final.zkey verifier.sol

snarkjs给了一个模拟验证执行的命令，利用上面的两个json文件可以模拟Verifier在remix中的验证过程

snarkjs zkey export soliditycalldata public.json proof.json

输出是三个群元素和公共输入，均编码为HEX形式

["0x1d0bde1fa11154e30fe2f4cf390f13e44ded5892b89704fc67286548b72a84b9", "0x24bdfd9600cd3305d33d22eb772f4a931e155b523a12a24d84454594e6006d43"],
[["0x2c48929cc2f3f143b445bcc9228423a7afb765007cf823892c259259e9b20567", "0x13f538fbcf2d881da5af31297e6085bbcd4bcf7f36b8761eeaa6c2feebcca626"],["0x1be7d0cd25b1cb6bd5b0c465b95581291289b547600b4a2e7bc404b24d0f4238", "0x2d960f51e9918d0479d5ef4fe3351ef654277af3c5a82d956a50542e0b4db0cf"]],
["0x2ed9cd3e86df53ded6d6f402f5a5cfa390d9d35292e3f3ffb3e34c5432a3d30d", "0x1f9f04d096b7638ec149a9ac8ceb06acc268716f60ab8f4b5c1f7881498fb3cd"],
["0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000020"]

这里Verifier会调用verifyProof函数来对上述这堆东西进行验证，这里可以把上面的那个智能合约导入到 remix来模拟一下，这里给一个网址：http://remix.ethereum.org/

进去之后，右上角切换中文

打开本地文件->上传verifier.sol文件(地址：C:\circom\circuit_js）

进入SOLIDITY模块

编译verifier.sol文件

之后点左侧第四个部署并运行智能合约，这里选择Verifier的合约

然后下面有一个已部署的智能合约，把上面得到的那一串数字粘贴到verifyProof里面，点一下call

右侧主界面可以看到正在调用，如果验证通过的话decode output这里会输出true

标签： 安全 密码学 网络协议
本文转载自: https://blog.csdn.net/dking9827/article/details/135550385
版权归原作者 绿色dge 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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