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。
声音 | 分析师：比特币今日上涨42%，为2011年5月10日以来第四大涨幅:加密货币分析师、经济学家Alex Krüger发推称，比特币今天上涨了42%，此为：
- 自2011年5月10日以来第四大涨幅（如果以日回报率作为比较）；
- 自2013年11月18日以来第十五大双日涨幅。[2019/10/26]
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..
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。
分析 | 区块链2019一季度融资总额9亿美元 50%投向交易平台和底层技术:2019年第一季度，区块链领域共发生了约93起投融资事件，融资金额约9亿美元。从时间上来看，1月份38起投融资事件，金额约3.66亿美元，2月份27起投融资事件，金额约1.92亿美元，金额约3月份有28起投融资事件，金额约3.41亿美元。亿万美元级融资事件共2起，融资总额约2.83亿美元，分别是矿机芯片厂商嘉楠耘智的数亿美元融资以及加密货币交易所Bakkt的1.83亿美元融资。从被投项目的细分行业上来看，做底层技术的项目或公司获得融资的数量和金额最多，有18个项目，融资金额达2.4亿美元。从融资轮次上来看，种子轮17个，天使轮的项目有10个，Pre-A轮5个，A轮11个，总的来说，获得融资的项目都比较早期，80%的项目在A轮之前。(深链财经)[2019/4/1]
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);
动态 | 区块链行业2018年三季度有119宗风险投资交易:据bitcoinist报道，区块链风险投资公司Outlier Ventures的一份新报告显示，区块链行业2018年第三季度有119宗风险投资交易。2018年风险投资共28.5亿美元，创历史新高，比2017年的9亿美元增长316％。[2018/11/22]
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。
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/
2018青岛链湾双清区块链应用论坛召开 20余家区块链企业将陆续入驻链湾 :由清华大学互联网产业研究院等联合主办的2018年青岛·链湾双清区块链应用论坛在青岛召开。 本次论坛的召开也意味着20余家区块链企业将陆续入驻链湾，这些企业全部由清华大学互联网产业研究院引进。清华大学互联网产业研究院副院长王晓辉在介绍中谈到：“这些清华系区块链企业涉及环保、艺术品交易、版权等，基本是一个行业对应一个企业，像世纪互联数据中心等区块链知名企业也将落户链湾。 ”[2018/5/16]
template<typenameppT>
voidtest_r1cs_gg_ppzksnark(size_tnum_constraints,size_tinput_size)
{
??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();
比特币的2017年：全年暴涨13倍 \"密集分叉\"暗酿风险:业内人士指出，由于比特币是一种去中心化资产，具有“无主地”特征，而此前发生的比特币现金等分叉现象酝酿的财富效应或吸引分叉活动更加密集的发生，加剧公地悲剧，导致比特币丧失唯一性、不可复制性等先天优势，并在价格端形成酝酿风险。[2017/12/27]
??//Createprotoboard
??protoboard<FieldT>pb;
??//Definevariables
??pb_variable<FieldT>x;
??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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