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7 月 23 日，隐衷学院【PrivacyIN】第一期 ZK 训练营第四课——《ZK Hands-on》如期开讲。本期课堂由资深隐衷开发工程师 Kelvin Wong 讲授，次要介绍 Circom 电路开发和 ZK 利用实际。
背景
随着零常识证实（ZKP）技术实践和工程利用的提高，ZK-Dapp 曾经成为区块链技术的利用热点，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零碎的残缺 ZK-Dapp 仍然有较高的难度。因而 PrivacyIN 特地开设实际课程，从实践到实际，帮忙开发者疾速进入 ZK 利用开发。
次要课程内容
本期课堂 Kelvin Wong 次要围绕 Circom 电路设计和零常识证实利用开发进行开展。
ZK 利用介绍
Kelvin 老师首先介绍了以后 ZK 利用倒退详情，率领学员理解以后支流的 ZK 利用和倒退方向，将 ZK 利用次要分为：L2 ZK-Rollup 利用、ZK-VM & ZK-EVM、ZK 区块链零碎、风行的 ZK 开发框架及编译器、其余热门电路及利用等，并进行分类的介绍和特点剖析。
ZK-Rollup 次要应用 zkSNARKs 技术将批量交易线下聚合，再将聚合交易及证实记录到智能合约，借助 zkSANRKs 其简洁、可验证、零知识性的特点，十分优雅地解决了以太坊等交易解决效率低和手续费低廉的问题。目前 ZK-Rollup 涌现了十分多热点利用，包含升高转账手续费的 STARKNET、zkSync、LOOPRING 等，利用类 ZigZog、Curve、zkNFT 等。
ZK-VM 是基于 ZKP 来保障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，个别 ZK-VM 都提供相似电路描述语言来实现计算利用。
EVM 是运行在以太坊上，用来执行智能合约的虚构机器，EVM 是基于栈架构的，次要组件包含：Stack、Memory、PC、Storage 等，EVM 应用 Gas 进行指令计价和束缚执行。
ZK-EVM 是以 ZKP 形式执行智能合约或 EVM 指令的虚拟机，个别能够依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 执行正确性证实和可验证的特点，次要是用来构建兼容以太坊智能合约的 ZK-Rollup 计划或区块链零碎。
基于 ZK 的区块链零碎，最驰名的是 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 实践和技术的倒退，越来越多区块链零碎基于 ZK 技术进行构建，以提供更好的匿名性和安全性。比方 monero 门罗币也将应用 ZK 技术构建，其将应用 BulletProof 协定来实现匿名交易；Mina 应用递归零常识证实技术来构建简洁和轻量的区块链零碎；Filecoin 借助递归零常识证实技术来实现数据存储证实；Aleo 则基于 ZK 构建通用、私密、高效公链零碎。
在开放性区块链世界，ZK 公链和利用的倒退离不开开源社区，开源社区为 ZK 技术的倒退提供了松软的根底，以 Arkworks、Matters Labs、Polygon 等为代表社区或公司提供丰盛的密码学开发根底库、ZK 协定实现、编译器等。比拟风行有开发库有：libnark、ZK-Garage/plonk、snarkjs、halo2 等；经典的编译器及开发库套件，包含：Circom+Snarkjs、Aleo、ZoKrates、Cairo 等。
以电路利用开发的视角来看，有很多热门的利用方向，包含：ZK-ML 机器学习、ZK-DID、ZK-NFT、ZK-DAO 外包计算等。依照电路用处分类，能够分为：通用性电路库（Circomlib）、专用性电路库（Semphore 成员关系证实）、zkEVM-Circuits（EVM 构建根底电路）等。
ZK 利用开发工作流
一个残缺的 ZK 利用开发是一个残缺的软件工程用例构建，本次课堂不依照残缺的软件工程工作流来展现利用开发过程，而是将电路逻辑来示意业务逻辑，围绕构建电路电路实现可验证计算的能力。zkSNARKs 协定因为其简洁、非交互、高效性的特点，ZK 支流利用基本上都应用 zkSNARKs 构建，课堂中将次要介绍基于 zkSNARKs（次要为 Plonk、Groth16 协定）的利用开发。
zkSNARs 利用开发的次要步骤，次要包含：
1. 电路构建 & 编译
次要将计算业务应用电路语言形容，而后编译器翻译为 R1CS 或 Plonkish 等格调束缚
2.Setup
公共参数、电路参数生成，包含创立 prover/verifier 各自的 keys
3. 创立证实 proof
证实者（prover）应用本人公有输出 witness 和 Setup 失去 keys，构建对于电路的证实。
4. 验证电路 proof
验证者（verifier）应用 prover 生成的 proof，验证“prover 应用 witness 作为输出并正确执行了电路”。
目前比拟风行的集成开发套件有 Aleo、ZoKrates、Circom+Snarkjs 等，基本上采取相似的工作流程，本次课堂则选取“Circom & Snarkjs”进行具体的电路利用开发介绍。
Circom & Snarkjs 工作流程
Circom & Snarkjs 次要的长处在于有比拟丰盛的电路开发模板库，Snarkjs 性能十分弱小，反对 Web 和验证合约生成，对支流协定 Groth16 和 Plonk 反对比拟齐备。
Circom & Snarkjs 的工作流程如下：
1. 算数电路设计（Circom 语言）
将计算业务转化为对立的算术表达式，而后将算术表达式用 Circom 语言形容实现。
2. 编译电路
将 Circom 语言示意的电路翻译成低级别的 R1CS 模式电路（能够生产 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 & 证实生成
可信设置应用 MPC 接力典礼生成，包含：universal-trusted-setup 和电路相干的 trusted-setup。
universal-trusted-setup 次要为生成通用参数，实用于所有电路，次要命令参考：snarkjs powersoftau new/contribute（典礼参数初始化 / 接力）
电路相干的 trusted-setup，生成实用于指定电路的 ZKP 计算参数， 次要命令参考 ：
snarkjs groth16/plonk setup（创立 proving key 和 verification key）
snarkjs zkey powersoftau new/contribute（指定电路参数初始化 / 生成接力）
证实（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实 proof，其次要命令参考：snarkjs plonk/groth16 prove
5. 验证证实 & 验证智能合约生成
应用电路和 witness 生成的 proof 能够用来进行正确性验证（validate），也能够生成实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）
Circom 电路设计
Circom 是一个示意 R1CS 电路束缚的 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动态剖析语言，目前次要反对算术电路。Circom 通过定义显式电路束缚实现电路逻辑，用户设计电路则相似于编写电路信号（线）的赋值和定义束缚，而后 Circom 编译器将这些编写的电路翻译成 R1CS 束缚（也包含 WASM、C++ 等相干语言），提供给 snarkjs 应用，并借助 snarkjs 实现残缺的 ZKP 计算流程。
Circom 的语法比较简单，次要为反对无限域（finite-field）的电路运算，提供了 template（有点相似 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。
一个残缺的 Circom 电路包含：预编译指令、电路模板实现、main 定义，如下定义了一个简略的乘法电路（注：参考官网文档）：
预编译，次要指定编译器兼容版本；电路模板实现，次要实现电路逻辑，包含定义输入输出信号（signal），两头信号，构建束缚等；main 定义，定义入口 main 组件，其应用电路模板构建的实例。
Circom 示意的算术电路定义包含：公有输出、共有输出、共有输入、电路门和线束缚，这些元素工作在无限域 Fp 上，通过构建 R1CS 的格局的束缚实现电路。
Circom 的 Signal
signal 相似电路的 wire（或变量），次要分为 input（输出）signal、output（输入）signal、默认 signal（两头变量），这些 signal 工作在无限域 Fp 上 (mod p)。
signal 默认为 private，能够在 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。
Circom 的表达式
Circom 反对常量表达式（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非凡模式。二元表达式模式相似于”AB-C”其中 A、B、C 为线性表达式，比方非法的二元表达式：2x + 3y + 2) (x+y) + 6*x + y – 2。
Circom 的 Template
Template 用来创立通用电路的模板，其余电路 Template 或 main 能够通过创立模板实例来应用电路，提供相似模块化的能力，即一个大电路能够由很多个小的电路实例集成构建失去。目前 Circom 社区提供了很多优质的电路模板，比方 circomlib、Semphore 等，能够基于这些电路模板构建简单的电路。
Circom 的 Constraint
Circom 应用 constraint 定义 R1CS 电路束缚，constraint 操作符个别配合二元表达式应用，次要的 constraint 操作符有：等于束缚 (===)，赋值等于（==> 或 <==），signal 赋值（–> 或 <–）。Cricom 个别举荐应用赋值等于（==> 或 <==）进行赋值和束缚同时定义，灵便的场景下则将两者离开，比方：除法操作转化为赋值和乘法束缚，A/B= C 则应用“C<– A/B; C*B===A”示意。
Circom 范例学习
课程中以实现简略多项式零常识证实为例，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 电路模板剖析多项式，而后进行线性组合即实现了 poly3 多项式。
实现步骤：
1. 创立电路文件，增加预处理定义，指定编译器版本；
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，输出信号相乘，只需增加复制等于束缚。
立方电路实现，应用平方电路实例，再乘以输出信号即可，即 x^3=x*(x^2)。
3. 定义 poly3 电路实现模板，其通过创立平方电路和立方电路实例，线性组合实现；
4. 定义 main，即创立 poly3 电路实例。
将 poly3 多项式实现的电路保留为 polynominal.circom 文件，执行编译命令：circom polynominal.circom –inspect –wasm –c，将输入变量和束缚信息；应用 snarkjs 命令行工具也可能查看编译输入的 R1CS 信息，如执行命令：snarkjs r1cs info polynominal.r1cs，将能够查看电路线数目、束缚个数、公有输出变量、公共输出变量、公共输入变量等信息。
残缺 ZK- Dapp 范例流程演示
给定一个多变量函数，蕴含 3 个变量 x、y、z，其中 x 为 0 或 1，定义如下：
如何实现一个残缺的零常识证实可验证智能合约？
筹备：
● 装置 Circom 和 Snarkjs
● 下载或生成通用的 ZK 参数
能够从 Polygen-Hermez 下载曾经实现的 MPC 典礼生成参数。
能够应用 Snarkjs 进行 MPC 接力典礼生产 ZK 参数，如命令：snarkjs contribute 等。
开发实现：
1. 实现电路
1.1. 将函数转化对立的算术表达式，if 分支语句合并
为了简化计算，限度 x 为 0 或 1，不便分支语句的合并。
1.2. 电路拍平 flatten，引入新的变量（信号 signal），并应用 R1CS 示意
1.3. R1CS 示意的电路转化为 circom 语言（间接翻译），保留为 f.circom 文件
2. 编译电路编译输入 r1cs 二进制，snarkjs 命令查看电路信息
3.Setup 和创立证实 & 验证 keys
4. 创立 witness 和 proof
5. 生成验证合约 verifier 和调用数据
6. 部署到 remix 并调用例如，能够将上一步骤生成的 verifier 合约部署到 remix 以太坊模仿环境，应用上一步骤的 calldata 作为输出，调用 call 接口：
如果输入 true 则示意计算 proof 验证胜利。
能够看到基于 Circom 和 Snarkjs 可能实现一个残缺的 ZK 利用，该开发套件灵便、可编程，提供多协定反对、丰盛的根底电路、多语言的反对如 C ++、JavaScript、Solidity 等，尤其 Solidity 验证合约的生成能力，则进一步减少了 Web3-ZK 利用开发的友好度。
自在探讨环节，Kelvin 老师急躁地为学员解答了一系列电路设计技巧和开发相干的问题。
对于 PrivacyIN
PrivacyIN 隐衷学院 (Privacy Institution) 由 LatticeX 基金会发动，致力于建设凋谢的明码和隐衷技术布道和钻研社区。联结寰球顶尖的学者、隐衷技术开发者推动 ZK(零常识证实)、MPC(平安多方计算)、FHE(全同态明码) 的翻新和落地。
对于 LatticeX 基金会
LatticeX 基金会（LatticeX Foundation）是一家寰球范畴的开源技术社区，以通过构建简单计算偿还用户数据主权，爱护数据隐衷，实现数据价值替换为愿景，旨在构建一个齐全去中心化的计算互操作网络，在爱护数据主权和隐衷的前提下促成数据使用权的交易，并为实现 LatticeX 愿景赞助各类学术研究及科研项目。
