区块链上的Zksnark电路如何设计？

在区块链上设计ZKSNARK电路涉及定义问题，构建算术电路，转换为QAP，生成CRS，创建和验证证明以及优化效率和安全性。

2025/04/12 15:01

在区块链上设计ZKSNARK电路涉及几个复杂的步骤和注意事项。 Zksnarks或零知识简洁的非交互性论证是加密协议，允许一个方向另一方证明一个陈述是真实的，而无需揭示陈述本身有效性以外的任何信息。在区块链的背景下，这些电路用于提高隐私和效率。让我们深入研究设计这样的电路的过程。

了解Zksnarks的基础知识

在深入设计Zksnark电路之前，了解基础概念至关重要。 ZKSNARKS由三种算法组成：钥匙生成，证明和验证。密钥一代算法会产生一个常见的参考字符串（CRS），该算法被供者用来生成证明和验证者来检查这些证明。证明算法采用声明和证人，并输出证明。验证算法使用CRS检查对语句的证明。

定义问题陈述

设计ZKSNARK电路的第一步是清楚地定义问题陈述。这涉及确定需要证明的是什么以及应该保留哪些信息。例如，在区块链上下文中，您可能需要证明事务有效而不揭示发件人，接收器或事务金额。问题陈述必须明确且具体，以确保可以准确构建电路。

构建算术电路

一旦问题陈述清楚，下一步就是构建代表要证明的计算的算术电路。算术电路是一个有向的无环图，其中节点代表操作（例如添加，乘法和常数），而边缘表示数据流。电路中的每个门必须设计为与计算中的特定操作相对应。

• 首先将计算分解为较小，易于管理的零件。
• 将每个部分表示为一系列门和电线。
• 确保电路正确对整个计算从输入到输出进行建模。

转换为二次算术程序（QAP）

构建算术电路后，必须将其转换为二次算术程序（QAP） 。 QAP是一组代表电路约束的多项式。这种转换至关重要，因为zksnarks在多项式承诺上运作。

• 确定算术电路的约束。
• 将这些约束转换为二次方程系统。
• 使用多项式插值将方程系统转换为QAP。

生成常见参考字符串（CRS）

下一步是生成常见的参考字符串（CRS） ，该字符串既用于证明和验证。 CRS是使用ZKSNARK协议的密钥生成算法创建的。此步骤涉及生成随机值并将其投入多项式。

• 使用受信任的设置生成随机值。
• 将这些价值投入多项式以创建CRS。
• 确保将CRS牢固地分发给有关各方。

创建证明

在QAP和CRS到位后，供者现在可以生成证明。供者将证人（私人意见）和公众意见带动，并使用它们来计算证明。这涉及使用证人和CRS评估QAP的多项式。

• 用证人评估QAP的多项式。
• 使用CRS进行这些评估。
• 使用承诺的值生成最终证明。

验证证明

ZKSNARK过程的最后一步是验证。验证者使用公共输入，证明和CRS检查证明的有效性。验证过程旨在高效，可以在不了解证人的情况下执行。

• 使用公众输入和证明来评估验证多项式。
• 检查评估是否与CRS中的承诺值匹配。
• 如果支票通过，则证明是有效的。

在区块链上实施电路

在区块链上实现ZKSNARK电路涉及将电路集成到区块链的协议中。这需要修改区块链的共识机制，以包括ZKSNARK验证过程。必须仔细设计该实现，以确保它不会损害区块链的安全性或性能。

• 修改区块链的协议以包括ZKSNARK验证。
• 确保验证过程与区块链现有操作无缝集成。
• 彻底测试实施以确保其正确性和效率。

优化电路

优化Zksnark电路对于确保其在区块链上的实用性至关重要。优化涉及减少电路的大小并提高证明和验证过程的效率。

• 最小化算术电路中的门和电线的数量。
• 使用高级技术（例如多项式承诺方案）来减少证明的规模。
• 实施批处理技术以验证单个操作中的多个证明。

确保安全和隐私

确保ZKSNARK电路的安全性和隐私至关重要。该电路必须旨在防止潜在的攻击和漏洞。

• 进行彻底的安全审核以识别和减轻潜在漏洞。
• 确保可信赖的设置过程是安全的，并且CRS不会受到损害。
• 实施保护证人隐私并防止信息泄漏的措施。

常见问题

问：可以将ZKSNARK电路用于区块链上的任何类型的计算吗？

答：虽然从理论上讲，Zksnark电路可用于任何类型的计算，但它们对于可以有效地表示为算术电路的计算最实用。复杂的计算可能会导致大型电路，这可能是在区块链上实施和验证的具有挑战性。

问：受信任的设置过程如何影响ZKSNARKS的安全性？

答：受信任的设置过程对于ZKSNARKS的安全至关重要。如果设置中使用的随机值受到损害，则可以允许攻击者进行证明。因此，必须以安全和透明的方式进行设置，通常涉及多个方，以确保没有任何一个实体能够损害设置。

问：在区块链上实施Zksnark电路的主要挑战是什么？

答：主要挑战包括生成和验证证明的计算复杂性，对可信赖的安全设置的需求以及将验证过程集成到区块链的共识机制中。此外，优化电路以减小其尺寸并提高效率是一个重大挑战。

问：Zksnarks与其他零知识证明系统（如Zkstarks）相比如何？

答：Zksnarks和Zkstarks都是零知识的证明系统，但它们具有不同的特征。 Zksnarks需要一个值得信赖的设置，但提供较小的证明尺寸和更快的验证时间。另一方面，Zkstarks不需要值得信赖的设置，但具有更大的证明尺寸和较慢的验证时间。它们之间的选择取决于区块链应用程序的特定要求。