使用 SnarkJS 和 Circom 进行零知识证明

太长不看版：本文介绍了如何使用 SnarkJS 和 Circom 在 JavaScript 项目中进行零知识证明。零知识证明技术的重要性在于可以证明拥有信息而无需透露，适用于匿名投票等场景。文章介绍了如何使用 Circom 编写电路，生成证明和验证密钥。此外，还讨论了 Circomlib 的使用以及在 JavaScript 中计算 poseidon hash 的方法。

Unsplash 上的 Maria Cappelli 拍摄的照片

简介

零知识证明 技术，尤其是 zk-SNARK ，是加密领域中最令人兴奋的技术之一，原因如下：

• 你可以证明自己拥有信息，而无需透露它（例如，你可以用它进行匿名投票）。
• 证明很小，易于在区块链上验证，因此可以用于 Rollup。

Rollup 是一种区块链扩展解决方案，其中计算是在链下完成的，并且在一定数量的交易之后，状态会同步回区块链。这种解决方案为你提供了区块链的安全性（在同步之后），但证明所需的空间（和 gas）远小于原始交易。因此，zk-rollup 是区块链的理想扩展解决方案。

我之前有一篇文章 ，在其中展示了零知识证明是如何通过 Tornado Cash 代币混合器的源代码工作的。如果你对这项技术不熟悉，强烈建议在阅读本文之前阅读该文章。

在本文中，我将向你展示如何在 JavaScript 项目中使用 zk-SNARK。

Circom

如果你已经阅读了我的之前的文章 ，你就会知道，你需要一个电路来生成零知识证明。电路是系统用来计算输出和证明的巨大数学表达式。零知识证明本身就是证明你已成功进行了计算。

电路可能非常复杂，但幸运的是，有电路编程语言和库，可以轻松编写自己的电路。我们将使用 Circom。Circom 是用 Rust 编写的。要安装它，你必须使用以下命令安装 Rust 环境：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 https://sh.rustup.rs -sSf | sh

Rust 安装完成后，克隆 Circom 存储库并构建编译器：

git clone https://github.com/iden3/circom.git
cd circom
cargo build --release
cargo install --path circom

如果一切顺利，现在你已经安装了 Circom 编译器。

我们需要的另一样东西是 circomlib。Circomlib 是一个带有许多有用的预定义电路的编程库。因此，创建一个空项目，并使用以下代码安装 circomlib：

npm init
npm i circomlib

现在，一切都准备好创建我们的电路了。以下是它的样子：

pragma circom 2.0.0;

include "node_modules/circomlib/circuits/poseidon.circom";

template PoseidonHasher() {
    signal input in;
    signal output out;

    component poseidon = Poseidon(1);
    poseidon.inputs[0] <== in;
    out <== poseidon.out;
}

component main = PoseidonHasher();

这个简单的电路有一个私有输入和输出信号 。我们使用 circomlib 中的 poseidon hasher 生成输入 hash。使用这个电路，我们可以证明我们知道给定 hash 的原始数据，而无需透露它。

首先，我们通过 circom 编译器编译电路，它将生成一个 wasm 文件和一个 r1cs 文件。

circom poseidon_hasher.circom --wasm --r1cs -o ./build

生成的 wasm 和 r1cs 文件可在 build 文件夹中找到。要生成证明，我们需要一个 proving key 文件，要生成此文件，我们需要一个 ptau 文件。可以使用 snarkjs 生成此 ptau 文件，或者你可以下载一个预生成的文件（你可以在 snarkjs 存储库中找到链接）。对于测试，生成的文件对我们来说就足够了，但在你的生产应用中，建议进行仪式并生成自己的 ptau 文件（你可以在我的之前的文章中了解更多）。

wget https://hermez.s3-eu-west-1.amazonaws.com/powersOfTau28_hez_final_12.ptau

现在，我们可以使用电路和 ptau 文件生成 proving key（zkey 文件）：

npx snarkjs groth16 setup build/poseidon_hasher.r1cs powersOfTau28_hez_final_12.ptau circuit_0000.zkey

不建议在生产中使用此 zkey 文件，但对于测试，对我们来说就足够了（有关更多信息，请查看 snarkjs 文档）。

snarkjs

现在，一切都准备好生成证明了。我们将使用 snarkjs，因此使用以下命令安装它：

npm i snarkjs

生成证明的过程如下：

const { proof, publicSignals } = await snarkjs.groth16.fullProve(
  { in: 10 }, 
  "build/poseidon_hasher_js/poseidon_hasher.wasm", 
  "circuit_0000.zkey");
console.log(publicSignals);
console.log(proof);

输入信号作为 fullProve 函数的第一个参数传递。第二个参数是编译后的电路，最后一个参数是生成的 proving key。该函数返回电路的输出和证明。

我们需要一个验证密钥，可以从 proving key 生成以验证证明。以下是如何获取它：

npx snarkjs zkey export verificationkey circuit_0000.zkey verification_key.json

验证代码如下：

const vKey = JSON.parse(fs.readFileSync("verification_key.json"));
const res = await snarkjs.groth16.verify(vKey, publicSignals, proof);

if (res === true) {
  console.log("Verification OK");
} else {
  console.log("Invalid proof");
}

验证密钥是 verify 函数的第一个参数，输出和证明是第二个和第三个参数。函数的结果是一个简单的布尔值。

在此示例中，我们使用电路计算了 hash，但这并不总是可能的，因为 hash 可能是部分结果，或者我们的电路看起来像这样：

pragma circom 2.0.0;

include "node_modules/circomlib/circuits/poseidon.circom";

template PoseidonHasher() {
    signal input in;
    signal input hash;

    component poseidon = Poseidon(1);
    poseidon.inputs[0] <== in;
    hash === poseidon.out;
}

component main {public [hash]} = PoseidonHasher();

这个电路没有输出，只有两个输入。第一个输入是数据，第二个是它的 hash。在模板的最后一行，我们检查了 hash。只有在给定的 hash 是给定数据的 poseidon hash 时，电路才会成功运行。但是我们如何在 JS 中计算 poseidon hash 呢？

Circomlib 有一个 JS 实现 ，可以用于此目的。让我们安装它：

npm i circomlibjs

现在，我们可以使用以下代码计算 hash：

 const poseidon = await circomlibjs.buildPoseidon();
 const hash = poseidon.F.toString(poseidon([10]));
 console.log(hash);

poseidon 函数的结果是一个 Buffer，我们必须将其转换为数字。在 zk-SNARK 中，每个计算都是在有限域中进行的，因此我们必须使用 poseidon.F.toString 进行转换。

Circomlibjs 和 snarkjs 在 Node.js 和浏览器中都能很好地工作，因此你可以在客户端生成或验证证明。还可以生成用于验证的智能合约，你可以将其用于 Solidity 代码中验证证明（有关更多信息，请查看 snarkjs 文档）。

Circomlibjs 还具有智能合约生成器。例如，如果你想在链上生成 poseidon hash，可以通过生成的代码实现。

这是我关于在 JavaScript 中使用 zk-SNARK 的非常简短的教程。这不是一个完整的课程，你可能有很多问题，但我希望我能帮助你开始你的旅程。Circom 和 snarkjs 都有很好的文档，你还可以从像 Tornado Cash 这样的现有项目中学到很多。