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零知识证明:从入门到入土

常驻编辑 科普中国 2022-11-16 图灵机   哈密尔顿   多项式   随机数   知识   阿里巴巴   回路   入门   现实   协议   世界
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公共参考串

除了随机预言机,NIZK还能采用「公共参考串」(Common Reference String),简称「CRS」来生成随机challenge c。如果说「随机预言机」是隐式地引入了第三方,那么「公共参考串」就是直接显式引入第三方。6HZ拜客生活常识网

还记得「阿里巴巴和哈密尔顿回路」吗?哈密尔顿回路是图中经过所有节点仅一次的回路,寻找哈密尔顿回路是一个NPC问题。6HZ拜客生活常识网

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上图是一个IZK,AliceBob证明自己知道图G的哈密尔顿回路,证明的交互过程是:6HZ拜客生活常识网

  • Alice随机拖动图G,生成图G’(拖动操作对图来说是「同构」的,不会改变图的哈密尔顿性质),Alice将变换后的图G’加密发送给Bob
  • Bob发出挑战b;
  • 如果b为0,Alice发送变换函数Perm 并解密G’,Bob验证G’是否由原图G通过变换函数Perm 得到;
  • 如果b为1,Alice计算原本的哈密尔顿回路C在变换之后的位置C’,解密G‘中C’所在的位置,Bob验证解密的是否为一个哈密尔顿回路。

当b为1时,Alice解密的C’属于G’,根据集合的性质!G’应该属于!C’(原图的补集应该属于哈密尔顿回路的补集),所以上图的交互过程也可以更改成:6HZ拜客生活常识网

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观察上图,变换之后证明的交互过程是:6HZ拜客生活常识网

  • Alice随机拖动哈密尔顿回路C,生成C’,Alice将变换后的哈密尔顿回路C’加密发送给Bob
  • Bob发出挑战b;
  • 如果b为0,Alice解密C’,Bob验证C’是否是一个哈密尔顿回路;
  • 如果b为1,Alice计算原图G在变换之后的位置G’,发送变换函数Perm 并解密C’中的!G’,Bob验证解密的位置是否全部为0(即!G‘是否属于!C’),同时验证G’是否由原图G通过Perm 变换得到。

这跟「公共参考串」「CRS」有什么关系呢?6HZ拜客生活常识网

我们仔细观察能够发现,交互式证明的第一步「Alice随机拖动哈密尔顿回路C,生成C’」是跟图G无关的。所以完全可以通过第三方生成一个随机的哈密尔顿回路C’,而使用随机的C’和C反向算出变换函数Perm。6HZ拜客生活常识网

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由于C’是第三方提供的,所以b为0没有了意义,Bob只需要检验b为1的情况。但第三方生成的C’是不能被Bob看到的,因为一旦Bob看到了C’,又知晓变换函数Perm,是很容易逆向算出原图G的哈密尔顿回路C的,所以C’必须是对Bob的「隐藏比特」。Bob收到Alice发送的!G’后,需要做两个验证,一是验证G’是否由原图G通过变换函数Perm生成,二是验证隐藏比特C’中,!G’位置是否都为0(即验证!G’是否属于!C’)。6HZ拜客生活常识网

该协议同样可以通过模拟证明是ZK的,这里不展开。6HZ拜客生活常识网

但到这一步还没有结束,因为第三方生成的C’是只有Alice能够看到的,而Bob无法看到,因此还不能说C’是「公共」的参考串「CRS」。解决问题的办法是使用「限门置换」:6HZ拜客生活常识网

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「限门置换函数」是一个正向很容易计算但反向很难的函数,可以把它理解为一种加密。同时限门置换也可以匹配一个「Hardcore Predicate」,Hardcore Predicate能生成我们需要的隐藏比特,隐藏比特中含有哈密尔顿回路C’。当在哈密尔顿回路NIZK中,Alice需要揭露!G’所对应的某个隐藏比特时,它提供对应位置的x,Bob在收到x后,会通过Hardcore Predicate验证对应的隐藏比特是否为0,同时通过限门置换函数F严重对应的CRS是否正确。6HZ拜客生活常识网

这样就实现了CRS,而哈密尔顿回路又是NPC问题,任何NP问题都能在多项式时间内规约到哈密尔顿回路问题,所以基于NP问题的IZK都能通过使用CRS变成NIZK形式了。6HZ拜客生活常识网

zk-SNARKs

Vitalik在21年写过多篇文章介绍zk-SNARKs,这里认为有必要简述以下。zk-SNARKs,全称「零知识简洁的非交互式知识论证」,zk-SNARKs常常使用随机预言机来实现NIZK(IZK的Fiat-Shamir变换),但他们的IZK形式通常不是Schnorr协议,而是哈希串的多项式比较验证等形式。

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