创建零知识证明的加密红包

廖雪峰 / 文章 / ... / Reads: 9446 Edit

今年节前收到微信的定制红包消息,准备定制两万个红包封面。和去年一样,我从一家版权网站买了一张图片,提供了购买证明和授权证明,结果微信要求提供网站拥有著作权的证明。证明你妹啊,它是个版权交易网站,著作权属于原作者,使用权属于付费购买方,申诉了几次无效后,决定不再和微信的审核耗下去了,咱另辟蹊径,开发去中心化的加密红包,最终效果如下:

redpacket

同样支持自定义封面和祝福语:

redpacket-custom

redpacket-opened

加密红包逻辑非常简单,发送方先把一定金额的ETH或者其他ERC代币存入合约,并指定领取人数,其他人就可以打开红包,实际上就是从合约中提取ETH或ERC代币。

但是考虑到区块链上所有数据全部透明,发送方一旦向合约写入红包,等于全世界都知道了,可能还没来得及发出群通知,红包已经被陌生人领完了。

所以,红包需要一个提取口令,例如,发送方设置口令1234,则合约写入口令哈希5678,这样,在打开红包的时候,需要提供原始口令1234,合约验证hash(1234)是否为5678来决定能否成功打开红包。

不过,在区块链上,不但所有数据是全透明的,就连发送到P2P网络还没有落块的交易,也是全网可见。因此,直接使用明文口令,起不到任何保护。我们必须要证明接收方知道口令,但不必在链上暴露口令,这就需要用到零知识证明。

零知识证明的数学理论非常复杂,涉及到椭圆曲线的同态隐藏、多项式证明和盲验,这里我们不展开讲解,因为我也看不懂那一大堆数学公式。我们直接选择目前广泛使用的zkSNARK,一步一步实现零知识证明的口令红包。

首先,发送方设置口令passcode后,计算hash(passcode)=out,然后将out写入合约。 我们需要证明的是接收方知道口令passcode,并能计算出hash(passcode)=out,但不必暴露passcode,而是提供一个零知识证明,合约验证后再放款。

我们要证明的是hash(passcode)=out,其中输入的passcode是隐藏的,输出的out是明文。常用的哈希函数如SHA-256Keccak等非常复杂,不便于零知识证明。 我们需要选择一个ZK友好(ZK-Friendly)的哈希函数,即有利于零知识证明验证的哈希函数,目前常用的有MiMCPoseidon。我们选择MiMC,即证明:

MiMC(passcode)=out

注意到如果一个接收方将有效的证明提交到链上后,其他人也就完全获得了证明,所以我们需要做一点技术处理,让一个证明只针对某个人有效。考虑到接收方地址只有他个人拥有,我们可以把passcode变为address+secret,即证明:

MiMC(address+secret)=out

其中,addressout是明文,secret是隐藏的。其他人获得了secret也是无效的,因为无法通过MiMC(anotherAddress+secret)=out验证。

我们用到的工具有Circomsnarkjs,Circom是一个编译电路的工具,snarkjs则用于生成证明和验证。先用Circom编写电路如下:

pragma circom 2.0.0;

include "./mimc.circom";

template Passcode() {
    signal input addr; // 输入明文
    signal input secret; // 输入密文
    signal output out; // 输出明文

    // 实例化一个MiMC7函数:
    component hash = MiMC7(3);

    hash.x_in <== (addr + secret); // 输入为addr+secret
    hash.k <== 123456789; // 固定随机数
    out <== hash.out; // 输出为哈希结果
}

component main {public [addr]} = Passcode();

导入的mimc.circom可以从Circom网站直接获得。Circom提供了大量常用的电路模板,可直接选择使用。

下一步是编译电路,编译后获得passcode.r1cspasscode_js文件夹,包含一系列工具。passcode.wasm就是用来正常计算MiMC哈希的代码。

接下来,我们要初始化一些密钥,用于Groth16算法的信任设置。理论上,知道初始化密钥的人可以伪造所有相关的零知识证明,因此,为保证安全,应该在完成所有代码后丢弃初始密钥。ZCash在全球找了6个人来完成信任初始化,如果这6个人联合起来则可以伪造ZCash的代币。也有一些不需要信任初始化的算法,但相应的证明比较大,而且验证较慢。

根据Circom官网指南,完成初始化后,我们得到一个passcode_0001.zkey这个zkey文件,这就是我们后续进行零知识证明所需的全部密钥。

最后通过snarkjs导出Solidity源码格式的Verifier.sol合约,用于验证证明。该合约有一个verifyProof方法用于验证:

function verifyProof(
    uint[2] memory a,
    uint[2][2] memory b,
    uint[2] memory c,
    uint[2] memory input
) public view returns (bool r) {
    ...
}

其中,input是两个整数,分别是passcodeHashaddress。合约验证时,传入的proof证明仅包括abc

function open(uint256 id, uint256[] memory proof) public returns (uint256) {
    uint256[2] memory a = [proof[0], proof[1]];
    uint256[2][2] memory b = [[proof[2], proof[3]], [proof[4], proof[5]]];
    uint256[2] memory c = [proof[6], proof[7]];
    uint256[2] memory input = [
        passcodeHash,
        msg.sender
    ];
    require(verifyProof(a, b, c, input), "Failed verify proof");
    ...
}

明文input包含的passcodeHashaddress由合约指定,用户无法传入,故无法使用其他人的有效证明。

我们只需要在网页引入snarkjs即可在线完成所有证明。最后捋一下加密红包的创建流程:

  1. 创建者选择一个字符串口令作为password,例如bitcoin
  2. 创建者计算passcode=keccak(address+password),引入创建者的address能保证不同的创建者使用相同口令也会计算出不同的passcode,这一步将任何字符串口令转换为一个256位整数的passcode
  3. 创建者通过snarkjs计算passcodeHash=MiMC(passcode),将明文passcodeHash写入合约并打款即完成红包的创建。

加密红包的领取流程如下:

  1. 接收者通过各种途径(粉丝群等)获得红包口令password
  2. 接收者通过创建者地址计算passcode=keccak(address+password)
  3. 接收者根据自己的地址address计算secret=passcode-address
  4. 接收者通过snarkjs创建证明,该证明能够验证MiMC(address+secret)=passcodeHash
  5. 接收者将证明提交给合约,验证后获得打款。

安全问题

采用Groth16算法会涉及到信任设置问题,另一个潜在的安全问题是MiMC哈希函数还尚未有碰撞性研究,不过,对于发送小额加密红包来说,零知识证明已足够安全。

使用过短的口令如bitcoin会很容易碰撞出passcode,建议使用长口令。理论上口令可以包括任意字符, 但要特别注意不要粘贴不可见字符如\n\u200b等。

项目源码

本文红包项目完全开源,可通过Github访问所有源码,采用GPLv3授权,若使用此加密红包出现任何问题,作者不承担任何责任。

最后,可以在测试网体验领取BTC红包:

BSC Testnet:https://bit.ly/3WJ9pwn

Polygon Testnet:https://bit.ly/3XFA1iR

Goerli Testnet:https://bit.ly/3Hc0A8C

或者,创建一个零知识证明的加密红包→https://redpacket.eth.itranswarp.com/

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Author: 廖雪峰

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