密码协议形式化分析与可证明安全实验2——使用circom和snarkjs来创建一个零知识snark电路

过程

• 环境配置

1. RUST的安装

作者此次使用的OS为WIN10系统,在Rust官网下载对应的版本进行安装。最好使用镜像网站，不然下载速度会非常缓慢。

按照指示一步一步走完后，在命令行输入rustc --version查看是否正确安装

1. NODE的安装

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

作者根据此文章的指示完成的NODE.js的配置。

1. circom的安装

在命令行输入

****git clone ****GitHub - iden3/circom: zkSnark circuit compiler

**** cargo build --release ****

****cargo install --path circom ****

之后可以用以下命令查看circom版本：

circom --help

如下图所示，返回了版本信息，就说明circom安装成功了。

1. 安装snarkjs

在命令行窗口中输入npm install -g snarkjs@latest安装snarkjs的module

安装完成后可以使用snarkjs --help查看帮助

• 构建电路与证明

准备工作 - 电路部分

首先准备好一个电路文件 circuit.circom ，具体如下

pragma circom 2.1.4;

template Multiplier() {

signal input a;

signal input b;

signal output c;

c <== ab;*

}

component main = Multiplier()

将上述代码保存为 .circom 文件，放在对应目录下

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 ab*

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 ****

这里的三个参数可以生成三个文件

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circuit_js的目录（目录名取决于电路名），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

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

这里用ri参数可以查看电路信息（或者用r1cs info也可以）

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）

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.json 文件，如下

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

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，分别是之前的wasm文件和三个json文件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

• 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

τ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τ \tauτ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 ≈ 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="Firstcontribution" -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snowolfcontribute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

这个命令还有一个name参数，可以输入任何内容（可以理解为执行contribute命令的一些注释），在后续验证ptau文件时这些信息会作为辅助内容输出

如果不想在contribute命令执行过程中输入文本（懒狗行为），可以使用 -e 参数来讲命令变为非交互式的，就可以不用输入相关信息了

比如在第一次contribute的基础上利用 -e 参数再执行一次contribute

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）

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如下提示

[WARN] snarkJS: this file does not contain phase2 precalculated values.

Please run:

snarkjs "powersoftau preparephase2" to prepare this file to be used in thephase2 ceremony.

[INFO] snarkJS: Powers of Tau Ok!

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.ptau

1cbf6603d6ff9ba4e1d15d0fd83be3a80bca470b6a43a7f9055204e860298f99 10 -n="FinalBeacon****”

*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τ,α∗β,β∗τ该文件计算基于 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

这里验证通过的话会输出Powers of Tau Ok，且不再出现前面的“not contain phase2 precalculatedvalues”的警告信息****。

五．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

首先需要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phase2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snowolf

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

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

六．密钥验证

接下来利用电路和证明密钥来构建证明

命令执行完毕后，可以得到两个json文件，一个是 public.json ，也就是statement****。

我们前面给的witness分别是3和11，因此 正确****。

另一个是 proof.json ，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****。

• 验证

利用上述两个json文件可以验证证明****。

通过验证。

总结

这个实验与上个实验相反，在Windows系统上更为简单。

RUST可以找国内镜像源，否则要下半天。

参考文献

密码协议形式化分析与可证明安全实验2——使用circom和snarkjs来创建一个零知识snark电路-CSDN博客

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

GitHub - iden3/circom: zkSnark circuit compiler

https://blog.csdn.net/weixin_30767835/article/details/96215708?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522170520277016800188532867%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=170520277016800188532867&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~baidu_landing_v2~default-2-96215708-null-null.142^v99^pc_search_result_base9&utm_term=failure%20when%20receiving%20data%20fr&spm=1018.2226.3001.4187