PrivacIN Week4课程回顾 | ZK应用实践

7月23日，隐私学院【PrivacyIN】第一期ZK训练营第四课——《ZK Hands-on》如期开讲。本期课堂由资深隐私开发工程师Kelvin Wong讲授，主要介绍Circom电路开发和ZK应用实践。

背景

随着零知识证明（ZKP）技术理论和工程应用的进步，ZK-Dapp已经成为区块链技术的应用热点，但ZKP技术的过高的技术门槛，使得设计和开发一个基于区块链系统的完整ZK-Dapp依然有较高的难度。因此PrivacyIN特别开设实践课程，从理论到实践，帮助开发者快速进入ZK应用开发。

主要课程内容

本期课堂Kelvin Wong主要围绕Circom电路设计和零知识证明应用开发进行展开。

ZK应用介绍

Kelvin老师首先介绍了当前ZK应用发展概况，带领学员了解当前主流的ZK应用和发展方向，将ZK应用主要分为：L2 ZK-Rollup应用、ZK-VM & ZK-EVM、ZK区块链系统、流行的ZK开发框架及编译器、其他热门电路及应用等，并进行分类的介绍和特点分析。
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ZK-Rollup主要使用zkSNARKs技术将批量交易线下聚合，再将聚合交易及证明记录到智能合约，借助zkSANRKs其简洁、可验证、零知识性的特点，非常优雅地解决了以太坊等交易处理效率低和手续费昂贵的问题。目前ZK-Rollup涌现了非常多热点应用，包括降低转账手续费的STARKNET、zkSync、LOOPRING等，应用类ZigZog、Curve、zkNFT等。

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ZK-VM是基于ZKP来保证程序执行状态转换的安全性和可验证性的可信通用虚拟机，一般ZK-VM都提供类似电路描述语言来实现计算应用。
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EVM是运行在以太坊上，用来执行智能合约的虚拟机器，EVM是基于栈架构的，主要组件包括：Stack、Memory、PC、Storage等，EVM使用Gas进行指令计价和约束执行。

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ZK-EVM是以ZKP方式执行智能合约或EVM指令的虚拟机，一般可以按照兼容性分为合约兼容ZK-EVM、EVM指令级别ZK-EVM、EVM标准规范级别ZK-EVM。ZK-EVM赋予了EVM执行正确性证明和可验证的特点，主要是用来构建兼容以太坊智能合约的ZK-Rollup方案或区块链系统。

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基于ZK的区块链系统，最著名的是ZCash，它是第一个基于zkSNARK技术构建的提供匿名交易的电子货币实现。随着ZK理论和技术的发展，越来越多区块链系统基于ZK技术进行构建，以提供更好的匿名性和安全性。比如monero门罗币也将使用ZK技术构建，其将使用BulletProof协议来实现匿名交易；Mina使用递归零知识证明技术来构建简洁和轻量的区块链系统；Filecoin借助递归零知识证明技术来实现数据存储证明；Aleo则基于ZK构建通用、私密、高效公链系统。

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在开放性区块链世界，ZK公链和应用的发展离不开开源社区，开源社区为ZK技术的发展提供了坚实的基础，以Arkworks、Matters Labs、Polygon等为代表社区或公司提供丰富的密码学开发基础库、ZK协议实现、编译器等。比较流行有开发库有：libnark、ZK-Garage/plonk、snarkjs、halo2等；经典的编译器及开发库套件，包括：Circom+Snarkjs、Aleo、ZoKrates、Cairo等。

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以电路应用开发的视角来看，有很多热门的应用方向，包括：ZK-ML机器学习、ZK-DID、ZK-NFT、ZK-DAO外包计算等。按照电路用途分类，可以分为：通用性电路库（Circomlib）、专用性电路库（Semphore成员关系证明）、zkEVM-Circuits（EVM构建基础电路）等。

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ZK应用开发工作流

一个完整的ZK应用开发是一个完整的软件工程用例构建，本次课堂不按照完整的软件工程工作流来展示应用开发过程，而是将电路逻辑来表示业务逻辑，围绕构建电路电路实现可验证计算的能力。zkSNARKs协议由于其简洁、非交互、高效性的特点，ZK主流应用基本上都使用zkSNARKs构建，课堂中将主要介绍基于zkSNARKs（主要为Plonk、Groth16协议）的应用开发。

zkSNARs应用开发的主要步骤，主要包括：

1.电路构建&编译

主要将计算业务使用电路语言描述，然后编译器翻译为R1CS或Plonkish等风格约束

2.Setup

公共参数、电路参数生成，包括创建prover/verifier各自的keys

3.创建证明proof

证明者（prover）使用自己私有输入witness和Setup得到keys，构建关于电路的证明。

4.验证电路proof

验证者（verifier）使用prover生成的proof，验证“prover使用witness作为输入并正确执行了电路”。

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目前比较流行的集成开发套件有Aleo、ZoKrates、Circom+Snarkjs等，基本上采取类似的工作流程，本次课堂则选取“Circom & Snarkjs”进行详细的电路应用开发介绍。

Circom & Snarkjs工作流程

Circom & Snarkjs主要的优点在于有比较丰富的电路开发模板库，Snarkjs功能非常强大，支持Web和验证合约生成，对主流协议Groth16和Plonk支持比较完备。

Circom & Snarkjs的工作流程如下：

1.算数电路设计（Circom语言）

将计算业务转化为统一的算术表达式，然后将算术表达式用Circom语言描述实现。

2.编译电路

将Circom语言表示的电路翻译成低级别的R1CS形式电路（可以生产wasm以及调试信息），其实用circom编译器。

参考命令：circom circuit.circom --r1cs --wasm --sym

3.Snarkjs生成witness文件

参考命令：snarkjs calculatewitness --wasm circuit.wasm --input input.json --witness witness.json

4.可信设置 & 证明生成

可信设置使用MPC接力仪式生成，包括：universal-trusted-setup和电路相关的trusted-setup。

universal-trusted-setup主要为生成通用参数，适用于所有电路，主要命令参考：snarkjs powersoftau new/contribute （仪式参数初始化/接力）

电路相关的trusted-setup，生成适用于指定电路的ZKP计算参数，主要命令参考：

snarkjs groth16/plonk setup （创建proving key和verification key）

snarkjs zkey powersoftau new/contribute （指定电路参数初始化/生成接力）

证明（proof）生成基于可信设置生成的通用参数、指定电路参数以及witness，生成指定电路的计算的证明proof，其主要命令参考：snarkjs plonk/groth16 prove

5.验证证明 & 验证智能合约生成

使用电路和witness生成的proof可以用来进行正确性验证（validate），也可以生成适用于以太坊的验证智能合约（generate verifier）。

参考命令：snarkjs validate/generateverifier （验证/生成验证合约）

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Circom电路设计

Circom是一个表示R1CS电路约束的DSL语言，同时也是一个针对该语言的编译器，它是一个强类型检测和静态分析语言，目前主要支持算术电路。Circom通过定义显式电路约束实现电路逻辑，用户设计电路则类似于编写电路信号（线）的赋值和定义约束，然后Circom编译器将这些编写的电路翻译成R1CS约束（也包括WASM、C++等相关语言），提供给snarkjs使用，并借助snarkjs实现完整的ZKP计算流程。

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Circom的语法比较简单，主要为支持有限域（finite-field）的电路运算，提供了template（有点类似C++）来定义子电路模块component，提供了function用来定义非电路函数代码块等。

一个完整的Circom电路包括：预编译指令、电路模板实现、main定义，如下定义了一个简单的乘法电路（注：参考官方文档）：

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预编译，主要指定编译器兼容版本；电路模板实现，主要实现电路逻辑，包括定义输入输出信号（signal），中间信号，构建约束等；main定义，定义入口main组件，其使用电路模板构建的实例。

Circom表示的算术电路定义包括：私有输入、共有输入、共有输出、电路门和线约束，这些元素工作在有限域Fp上，通过构建R1CS的格式的约束实现电路。

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Circom的Signal

signal类似电路的wire（或变量），主要分为input（输入）signal、output（输出）signal、默认signal（中间变量），这些signal工作在有限域Fp上 (mod p)。

signal默认为private，可以在main{}中设置input signal为public，output signal总是为public，不能设置为private，默认定义的signal为private。

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Circom的表达式

Circom支持常量表达式（只有常量操作或赋值）、线性表达式（只有常量和信号的乘法和加法）、二元表达式，其中常量表达式、线性表达式是二元表达式的特殊形式。二元表达式形式类似于”AB-C”其中A、B、C为线性表达式，比如合法的二元表达式：2x + 3y + 2) * (x+y) + 6x + y – 2。

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Circom的Template

Template用来创建通用电路的模板，其他电路Template或main可以通过创建模板实例来使用电路，提供类似模块化的能力，即一个大电路可以由很多个小的电路实例集成构建得到。目前Circom社区提供了很多优质的电路模板，比如circomlib、Semphore等，可以基于这些电路模板构建复杂的电路。

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Circom的Constraint

Circom使用constraint定义R1CS电路约束，constraint操作符一般配合二元表达式使用，主要的constraint操作符有：等于约束 (=），赋值等于（>或<==），signal赋值（–>或<–）。

Cricom一般推荐使用赋值等于（>或<）进行赋值和约束同时定义，灵活的场景下则将两者分开，比如：除法操作转化为赋值和乘法约束， A/B=C则使用“C<-- A/B; C*B===A”表示。

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Circom范例学习

课程中以实现简单多项式零知识证明为例，给定一个单变量多项式poly3(x)=1 + 2x + 3x^2 + 4x^3，演示如何进行设计Circom电路实现poly3多项式。

poly3多项式不是二元表达式（最高次数为3），将问题进行拆解，定义平方x^{2电路模板、x}3电路模板分析多项式，然后进行线性组合即实现了poly3多项式。

实现步骤：

1.创建电路文件，添加预处理定义，指定编译器版本；

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2.定义平方电路、立方电路模板；平方电路实现，其为一个乘法电路，输入信号相乘，只需添加复制等于约束。

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立方电路实现，使用平方电路实例，再乘以输入信号即可，即x^3=x*(x2)。

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3.定义poly3电路实现模板，其通过创建平方电路和立方电路实例，线性组合实现；

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4.定义main，即创建poly3电路实例。

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将poly3多项式实现的电路保存为polynominal.circom文件，执行编译命令： circom polynominal.circom --inspect --wasm --c，将输出变量和约束信息；使用snarkjs命令行工具也能够查看编译输出的R1CS信息，如执行命令：snarkjs r1cs info polynominal.r1cs，将可以查看电路线数目、约束个数、私有输入变量、公共输入变量、公共输出变量等信息。

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