libsnark是目前实现zk-SNARKs电路最重要的框架，在众多私密交易或隐私计算相关项目间广泛应用，其中最著名当然要数Zcash。Zcash在Sapling版本升级前一直使用libsnark来实现电路。毫不夸张地说，libsnark支撑并促进了zk-SNARKs技术的
首次大规模应用，填补了零知识证明技术从最新理论到工程实现间的空缺。
希望通过本系列文章，所有开发者都能亲自上手实践，在短时间内迅速入门libsnark，一步步了解libsnark的基本概念，学会如何开发zk-SNARKs电路，完成证明的生成和验证，最终将零知识证明应用到真实业务中去。
1、zk-SNARKs和libsnark背景简介
零知识证明，可能是目前最具应用前景和想象力的密码学黑科技。而zk-SNARKs正是一类零知识证明方案的简称，全称为Zero-KnowledgeSuccinctNon-interactiveArgumentsofKnowledge。这一名字几乎包含了其所有技术特征，即可以在不泄露任何其他信息的前提下证明一个命题的正确性，并且最终生成的证明具有简洁性，也就是说最终生成的证明足够小，并且与计算量大小无关，是一个常数。用白话说就是，你理论上可以在不暴露任何隐私的情况下向其他所有人证明某件事，并且生成的证明体积很小，校验成本很低，与需要证明的内容计算量无关。听起来简直太美好了！
zk-SNARKs能应用到很多场景，比如隐私保护、区块链扩容、可验证计算等。本文不介绍zk-SNARKS和零知识证明的理论细节，不熟悉或想深入了解的同学可阅读其他文章或论文。
如Vitalik写的关于zk-SNARKs著名的三篇博文。
https://medium.com/
第一步，我们需要将函数?C(x,out)?在libsnark中进行表达。此处先省略，后面介绍详细过程。
第二步，对应下面的Generator函数（
G），lambda?为随机产生，也就是常说的trustedsetup过程中产生的"toxicwaste"。人们喜欢称它为“有废物”，是因为它必须被妥善处理，否则会影响证明协议安全。
lambda<-random()
(pk,vk)=G(C,lambda)
最终生成provingkey(pk)和verificationkey(vk)。
第三步，对应使用Prove函数（
P）生成证明。这里想证明的是prover知道一个秘密值?x?和计算结果?out?可使等式满足。因此将?x、out?还有?pk?作为输入一起传给?
P，最终生成证明?proof。
proof=P(pk,out,x)
第四步，对应使用Verify函数（
V）验证证明，将?proof、out?还有?vk?传给?
G，即可在不暴露秘密的情况下证明存在一个秘密值可使等式满足。
Tascha Labs宏观经济学家：区块链技术通过数字资产推动Web3发展:金色财经联合Coinlive报道，在新加坡举行的2022年新加坡金融科技节上，Tascha Labs宏观经济学家、Web3创业公司顾问和天使投资人Tascha Che分享了她对Web3核心利益的看法，即它的真正价值不仅仅是交易。她认为Web3是给人们带来所有权。区块链技术现在通过数字资产降低了资本所有权的进入门槛，推动了Web3的飞速发展。此外，代币化也是Web3经济的燃料之一。[2022/11/4 12:16:56]
V(vk,out,proof)?=true
而
开发者主要工作量就集中在第一步，需要按照libsnark的接口规则手写C++电路代码来描述命题，由代码构造R1CS约束。整个过程也即对应下图的Computation->ArithmeticCircuit->R1CS。
3、搭建zk-SNARKs应用开发环境
下面进入动手环节，快速上手libsnark，跑通例子。
先下载本文对应的libsnark最小可用例子代码库?libsnark_abc。
gitclonehttps://github.com/sec-bit/libsnark_abc.git
通过gitsubmodule拉取libsnark代码。
cdlibsnark_abc
gitsubmoduleupdate--init--recursive
参考libsnark?项目文档完成相关依赖安装。以Ubuntu16.04LTS为例，需安装以下组件：
sudoapt-getinstallbuild-essentialcmakegitlibgmp3-devlibprocps4-devpython-markdownlibboost-all-devlibssl-dev
初始化?build?文件夹。
mkdirbuild&&cdbuild&&cmake..
这步在macOS系统可能会遇到问题，参考这个issue?处理。或尝试使用以下命令：
mkdirbuild&&cdbuild&&CPPFLAGS=-I/usr/local/opt/openssl/includeLDFLAGS=-L/usr/local/opt/openssl/libPKG_CONFIG_PATH=/usr/local/opt/openssl/lib/pkgconfigcmake-DWITH_PROCPS=OFF-DWITH_SUPERCOP=OFF..
动态 | 四方精创：公司正储备数字货币钱包等技术:四方精创(SZ300468)在互动平台上表示：公司正积极在包括数字货币钱包在内的前沿技术领域持续进行相关技术储备。[2019/11/14]
成功后，依旧在?build?目录进行编译。
make
编译成功后，在?build/src?目录中可看到3个二进制文件。
main
range
test
到这儿，你就以及完成示例项目的编译啦。尝试运行示例代码吧。
./src/main
最终出现如下日志，则说明一切正常。你已顺利拥有了zkSNARK应用开发环境，并成功跑了第一个zk-SNARKs的demo。
4、理解示例代码
下面我们一起来仔细瞅瞅代码。示例项目包含了3份代码。
不妨先看看?src/main.cpp。这个例子来自HowardWu的?libsnark_tutorial，他也是libsnark作者之一哦。本文?libsnark_abc?的项目结构就是依照他的?libsnark_tutorial?搭建，属于“官方推荐风格”，请放心食用。
只有区区几十行代码，其中?run_r1cs_gg_ppzksnark()?是主要部分。很容易发现，真正起作用的实质代码只有下面5行。
r1cs_gg_ppzksnark_keypair<ppT>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<ppT>(example.constraint_system);
r1cs_gg_ppzksnark_processed_verification_key<ppT>pvk=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_process_vk<ppT>(keypair.vk);
r1cs_gg_ppzksnark_proof<ppT>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<ppT>(keypair.pk,example.primary_input,example.auxiliary_input);
constboolans=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<ppT>(keypair.vk,example.primary_input,proof);
constboolans2=r1cs_gg_ppzksnark_online_verifier_strong_IC<ppT>(pvk,example.primary_input,proof);
仅从“超长”的函数名就能看出来每步是在做什么，但是却看不到如何构造电路的细节。实际上这里仅仅是调用了自带的?r1cs_example，隐去了实现细节。
声音 | 国家电网董事长：区块链等技术能为电力物联网提供有效的信息和数据支撑:3月8日国家电网有限公司董事长、党组书记寇伟表示，国家电网公司当前最紧迫、最重要的任务就是加快推进泛在电力物联网建设。泛在电力物联网，就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互。通过广泛应用区块链、大数据、物联网、边缘计算等信息技术和智能技术，汇集各方面资源，为规划建设、生产运行、经营管理、综合服务、新业务新模式发展、企业生态环境构建等各方面，提供充足有效的信息和数据支撑。[2019/3/10]
既然如此，那让我们通过一个更直观的例子来学习电路细节。研究?src/test.cpp，这个例子改编自ChristianLundkvist的?libsnark-tutorial(https://github.com/christianlundkvist/libsnark-tutorial)。
代码开头仅引用了三个头文件，分别是：
#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>
#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>
#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>
前面提到?r1cs_gg_ppzksnark?对应的是Groth16方案。这里加了?gg?是为了区别?r1cs_ppzksnark，表示GenericGroupModel。Groth16安全性证明依赖GenericGroupModel，以更强的安全假设换得了更好的性能和更短的证明。
第一个头文件是为了引入?default_r1cs_gg_ppzksnark_pp?类型，第二个则为了引入证明相关的各个接口。pb_variable?则是用来定义电路相关的变量。
下面需要进行一些初始化，定义使用的有限域，并初始化曲线参数。这是相当于每次的准备工作。
typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;
default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();
接下来就需要明确「待证命题」是什么。这里不妨沿用之前的例子，证明秘密?x?满足等式?x^3+x+5==out。这实际也是Vitalik博文?"QuadraticArithmeticPrograms:fromZerotoHero"(https://medium.com/
template<typenameppT>
voidtest_r1cs_gg_ppzksnark(size_tnum_constraints,size_tinput_size)
现场 | 高锋创新金融行政总裁黄俊瑯：香港具有发展区块链技术的优势 ?:金色财经现场报道，2018年8月10日，在2018纷智金融科技峰会（香港）上，高锋创新金融行政总裁黄俊瑯指出：香港具有发展区块链技术的优势，香港是国际金融枢纽；香港是国际人才和企业入口；香港地理位置优势；香港监管制度优良。在推动全球区块链领域的发展过程中，香港扮演加速器的角色。[2018/8/10]
{
??r1cs_example<libff::Fr<ppT>>example=generate_r1cs_example_with_binary_input<libff::Fr<ppT>>(num_constraints,input_size);
??constboolbit=run_r1cs_gg_ppzksnark<ppT>(example);
??assert(bit);
}
intmain(){
??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();
??test_r1cs_gg_ppzksnark<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(1000,100);
??return0;
}
test.cpp
第二个例子?test.cpp。这个例子具体展示了如何利用libsnark构建一个最简单的电路。
#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>
#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>
#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>
usingnamespacelibsnark;
usingnamespacestd;
intmain(){
??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;
??//Initializethecurveparameters
??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();
??//Createprotoboard
??protoboard<FieldT>pb;
??//Definevariables
??pb_variable<FieldT>x;
CFTC主席：我不是加密货币的“传道士” 必须重新解释法律以适应新技术:据coindesk消息，商品期货交易委员会（CFTC）主席J. Christopher Giancarlo上周在范德堡大学法学院发表演讲，谈到了他发表同情比特币和其他加密货币的评论后所经历的恶名。Giancarlo告诉与会者，他不是加密货币“传道士”。Giancarlo继续指出，向投资者承诺快速致富的“策划者”和“可疑的企业家”在加密货币领域中很常见，但目前有“越来越多的专业的，机构用户”加入了加密货币领域。关于监管问题，Giancarlo指出，“商品交易法”没有提及加密货币，因此必须重新解释法律以适应新技术，假设立法者未对其进行修订的情况下。[2018/4/17]
??pb_variable<FieldT>sym_1;
??pb_variable<FieldT>y;
??pb_variable<FieldT>sym_2;
??pb_variable<FieldT>out;
??//Allocatevariablestoprotoboard
??//Thestrings(like"x")areonlyfordebuggingpurposes??
??out.allocate(pb,"out");
??x.allocate(pb,"x");
??sym_1.allocate(pb,"sym_1");
??y.allocate(pb,"y");
??sym_2.allocate(pb,"sym_2");
??//Thissetsuptheprotoboardvariables
??//sothatthefirstone(out)representsthepublic
??//inputandtherestisprivateinput
??pb.set_input_sizes(1);
??//AddR1CSconstraintstoprotoboard
??//x*x=sym_1
??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(x,x,sym_1));
??//sym_1*x=y
??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_1,x,y));
??//y+x=sym_2
??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(y+x,1,sym_2));
??//sym_2+5=~out
??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(sym_2+5,1,out));
??
??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();
??//generatekeypair
??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);
??//Addpublicinputandwitnessvalues
??pb.val(out)=35;
??pb.val(x)=3;
??pb.val(sym_1)=9;
??pb.val(y)=27;
??pb.val(sym_2)=30;
??//generateproof
??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());
??//verify
??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);
??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;
??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;
??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;
??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;
}
range.cpp
第三个例子?range.cpp。该例子利用了libsnark自带的?comparison_gadget?来实现取值范围证明。
#include<libsnark/common/default_types/r1cs_gg_ppzksnark_pp.hpp>
#include<libsnark/zk_proof_systems/ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark/r1cs_gg_ppzksnark.hpp>
#include<libsnark/gadgetlib1/pb_variable.hpp>
#include<libsnark/gadgetlib1/gadgets/basic_gadgets.hpp>
usingnamespacelibsnark;
usingnamespacestd;
intmain(){
??typedeflibff::Fr<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>FieldT;
??//Initializethecurveparameters
??default_r1cs_gg_ppzksnark_pp::init_public_params();
??//Createprotoboard
??protoboard<FieldT>pb;
??pb_variable<FieldT>x,max;
??pb_variable<FieldT>less,less_or_eq;
??x.allocate(pb,"x");
??max.allocate(pb,"max");
??
??pb.val(max)=60;
??comparison_gadget<FieldT>cmp(pb,10,x,max,less,less_or_eq,"cmp");
??cmp.generate_r1cs_constraints();
??pb.add_r1cs_constraint(r1cs_constraint<FieldT>(less,1,FieldT::one()));
??constr1cs_constraint_system<FieldT>constraint_system=pb.get_constraint_system();
??//generatekeypair
??constr1cs_gg_ppzksnark_keypair<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>keypair=r1cs_gg_ppzksnark_generator<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(constraint_system);
??//Addwitnessvalues
??pb.val(x)=18;//secret
??cmp.generate_r1cs_witness();
??//generateproof
??constr1cs_gg_ppzksnark_proof<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>proof=r1cs_gg_ppzksnark_prover<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.pk,pb.primary_input(),pb.auxiliary_input());
??//verify
??boolverified=r1cs_gg_ppzksnark_verifier_strong_IC<default_r1cs_gg_ppzksnark_pp>(keypair.vk,pb.primary_input(),proof);
??cout<<"NumberofR1CSconstraints:"<<constraint_system.num_constraints()<<endl;
??cout<<"Primary(public)input:"<<pb.primary_input()<<endl;
??cout<<"Auxiliary(private)input:"<<pb.auxiliary_input()<<endl;
??cout<<"Verificationstatus:"<<verified<<endl;
}
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