零知识证明编程:用 Circom 和 Groth16 构建证明与验证

在本教程中,我们将介绍如何使用零知识证明(ZKP)技术,特别是 Circom 和 Groth16,来构建和验证证明。作为工作程序员,你将学习从零开始编写基本的 ZKP,并逐步实现复杂的应用。

你是否曾想过如何在群体中保持匿名?就像斑马的条纹帮助它们在群体中隐藏自己,我们在数字世界中也可以利用类似的隐私保护技术。今天,我们将探讨如何使用 ZKP 来证明你的身份而无需泄露个人信息。本文将带你通过 Circom 编程语言和 Groth16 证明协议,逐步实现零知识证明。

环境设置与基本概念

首先,我们需要设置开发环境,并编写一个简单的 ZKP 程序。我们的目标是快速理解如何构建、生成和验证证明。

  1. 环境准备

    克隆示例仓库并运行准备脚本:

    bash
    复制代码
    git clone git@github.com:oskarth/zkintro-tutorial.git cd zkintro-tutorial less ./scripts/prepare.sh ./scripts/prepare.sh
  2. 编写电路

    我们将编写一个简单的 Circom 电路,用于计算两个输入的乘积:

    circom
    复制代码
    pragma circom 2.0.0; template Multiplier2 () { signal input a; signal input b; signal output c; c <== a * b; } component main = Multiplier2();
    • pragma circom 2.0.0;:定义 Circom 的版本。
    • template Multiplier2:模板定义了一个乘法器。
    • signal input和signal output:定义输入和输出信号。
    • c <== a * b;:定义约束,确保输出c等于a和b的乘积。
  3. 编译电路

    使用 Circom 编译电路:

    bash
    复制代码
    circom example1.circom --r1cs --wasm

    这将生成example1.r1cs和example1.wasm文件,包含证明所需的数学对象和协议信息。

生成与验证证明

  1. 生成证明

    运行以下命令生成证明:

    bash
    复制代码
    just generate_proof example1

    生成的证明将显示为简短的数学对象,体现了 ZKP 的简洁性。

  2. 验证证明

    使用以下命令验证证明:

    bash
    复制代码
    just verify_proof example1

    验证过程不会接触到任何私有输入,确保了隐私保护。

改进与挑战

我们将通过添加额外约束来改进电路,例如,确保输入不等于 1。更新电路文件example2.circom,并使用IsZero()函数来表达这一约束。

代码示例:

circom
复制代码
include "circomlib/circuits/comparators.circom"; template CheckNotOne(signal input x) { signal output result; result <== IsZero(x - 1); }
  1. 生成与验证新证明

    运行:

    bash
    复制代码
    just generate_proof example2 just verify_proof example2

    如果输入违反了新约束,证明生成将失败。

数字签名与 ZKP

数字签名用于在互联网中验证身份。通过公钥密码学生成私钥和公钥,利用私钥生成签名并验证签名。ZKP 可用于增强数字签名的隐私保护。

  1. 生成密钥对

    使用just generate_identity生成身份密钥对。

  2. 签名与验证

    编写电路以签名消息并验证签名:

    circom
    复制代码
    include "circomlib/circuits/poseidon.circom"; component main {public [identity_commitment, message]} = SignMessage();

    生成签名并验证:

    bash
    复制代码
    just generate_proof example3 just verify_proof example3

总结与练习

你已经完成了从零开始编写 ZKP 程序的过程,包括生成和验证证明的各个步骤。接下来,尝试回答以下问题:

  • ZKP 的两个关键属性是什么?
  • 证明者和验证者的角色和输入是什么?
  • c <== a * b;行的作用是什么?

通过以上练习,你将对 ZKP 的工作原理有更深入的理解,并能在实际应用中实现更复杂的隐私保护技术。

参考文献

希望这篇文章能帮助你掌握零知识证明的基本原理,并在实际项目中应用这些技术。

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