密碼專欄 | 超強進階：PLONK VS Groth16（下）_LON:GRO

前言

本篇是“PLONKVSGroth16”的下篇，在上篇中我們對PLONK作了簡要介紹，分析了PLONK和Groth16算法在「可信驗證」和「約束構建」上的異同。那么，接下來讓我們一起看看在后續的「證明生成」和「驗證階段」兩者將有怎樣的差異，以及整體上的性能區別。

證明生成

對于程序qeval,prover需要證明自己知道qeval(x)=35的解，即x=3。

defqeval(x):

y=x**3

returnx+y+5

在上篇中我們已經介紹了PLONK的約束形式：門約束與線約束。繼續使用之前的例子，約束意味著零知識證明系統將這個問題約束成了一組格式固定的數學表達式，即問題描述等價于約束描述。而如果證明者真的知道這個問題的答案，將答案和計算中的中間參數代入約束表達式，這個組表達式必將是成立的。反之，如果該Prover提供的一組解無法使表達式成立，說明prover并不具備關于該問題解的知識。

密碼學家Matthew Green：端到端加密面臨著越來越大的阻力:約翰·霍普金斯大學密碼學家、安全技術專家和計算機科學教授Matthew Green表示，試圖整合端到端加密的公司正面臨著一場艱苦的戰斗，因為開發保護私人通信系統的創新者面臨著越來越大的阻力。Green表示：“真正讓我擔心的是，美國和其他政府強烈要求阻止部署新的E2E加密。”去年，美國總檢察長William Barr與來自美國、英國和澳大利亞的國際執法合作伙伴簽署了一封公開信，批評Facebook在其所有消息平臺上實施E2E的計劃，致使對端到端加密（E2E）的反擊受到了很大推動。（The Daily Hodl）[2020/6/6]

這是最樸素的證明驗證思路，可以將它看作是“鎖”和“鑰匙的配對“：該問題約束的構建類似于“打造門鎖“，而針對該問題提供的一組解信息就是”一把開啟門鎖的鑰匙“。顯然，Prover可以舉著自己的解交給驗證者來驗證。可是這違背了我們的零知識原則：Verifier不應該獲取到Prover的隱私信息。

聲音 | 胡鋼：《密碼法》可為區塊鏈應用提供更多密碼支撐:日前，我國首部《密碼法》審議通過，并將于2020年1月1日起施行。中國互聯網協會法治工作委員會副秘書長胡鋼表示，《密碼法》對商用密碼的開放促進規范，可為區塊鏈應用提供更多密碼支撐。《密碼法》的重大突破之一，就是取消了商用密碼的行政許可，放開商密市場準入，引入了促進導向、標準牽引、特類規管的法治模式。（光明網）[2019/11/28]

那么有什么方法能在解鎖的同時保護隱私信息呢？

這里我們用到一個簡單的數學小技巧：減除，對此不太了解的讀者可查閱文章最后的前置知識。在前文《超強進階：PLONKVSGroth16》我們已經對從約束系統轉化到多項式進行了詳細的描述，在此我們不再贅述具體的轉化過程，但需要重復的一點是：根據生成時使用的點值對，生成的多項式在這些點處的取值將恒為0。PLONK同理，此處我們給出兩種算法的約束系統轉化為多項式后的形式。

Groth16:

動態 | 央視《東方時空》欄目普及密碼學和區塊鏈知識:在10月27日晚20：32分央視13套播出的《東方時空》欄目中，欄目以技術案例大幅講解了區塊鏈和密碼學的基礎知識。欄目介紹了目前區塊鏈的應用范圍，如：金融服務，供應鏈管理，公共服務，智能制造，教育就業，文化娛樂等領域。欄目還強調了區塊鏈解決了證明你媽是你媽的難題。并且解決了數字身份，版權保護，嚴把質量關，更便捷交易，旅行消費，衛生保健等領域的難題。對此，國家金融與發展實驗室特聘研究員董希淼還在欄目中表示，區塊鏈技術已開始逐步應用。有些應用已經逐步走向成熟，例如在醫療方面的應用，醫療數據應用區塊鏈，實現病歷共享。[2019/10/28]

PLONK:?我們設門約束多項式為D(X)，線約束多項式為L(X)，那么PLONK的整個約束多項式將被表示為：

聲音 | 降維安全實驗室：Coinomi錢包漏洞會使用戶密碼被“中間人”竊取:降維安全實驗室（johnwick.io)發布消息稱，Coinomi錢包存在嚴重漏洞，用戶配置Coinomi錢包期間，當用戶輸入密碼時，Coinomi應用程序會抓取用戶在密碼文本框中的輸入，然后將其以明文形式靜默發送到Google的拼寫檢查服務，如果此過程遭受中間人(MitM)攻擊，攻擊者可以記錄密碼并竊取錢包內的數字資產。降維安全實驗室建議Coinomi錢包的用戶密切關注自身的數字資產安全，其他錢包APP也應排查自身是否也存在類似風險，以避免給客戶造成更多的損失。[2019/2/28]

可以看到，兩者都使用了減除的思路，也就是這里的h(X)和ZH(X)，其具體內容取決于構建約束多項式時取的點值。

證明與驗證

聲音 | Dovey Wan：Coinbase 最大的效用是成為密碼貨幣世界里幣安的提款機:Primitive Ventures 聯合創始人 Dovey Wan 在推特上表示：隨著時間推移，Coinbase 最大的效用是成為密碼貨幣世界里幣安的提款機。當人們在 Coinbase 上把法幣轉成密碼貨幣后，迅速轉移到幣安。大部分交易其實都在幣安進行。盡管 Dovey Wan 稱這個觀點并不流行，但是很快獲得不少人跟進討論。幣安創始人趙長鵬跟帖表示，Coinbase 和幣安彼此有交集，但是事實上交集不大，兩家交易所都在努力推動行業發展，彼此互助成長。[2019/2/13]

同樣在之前的文章中，我們可以看到Groth16的證明規模極小，只包含三個群元素A,B,C。然而，這樣優雅的證明實現依賴于它的非通用可信設置，這也是Groth16的一大痛點。在Groth16中，證明方提供A，B，C，驗證方基于可信設置提供的參數，構建一個配對驗證等式。在驗證過程中包含了三次配對操作，也就是對驗證性能影響較大的耗時運算。Groth16的具體證明驗證如下所示。

Groth16證明：

Groth16驗證：

相比之下，PLONK的證明驗證將會復雜得多，這也是使用通用可信設置付出的代價。從驗證方角度看，由于可信設置參數缺少了包含問題具體內容，從而無法幫助其構建一些制約證明多項式的值。因此，如何固定住證明多項式的內容成為一個難題。PLONK使用的一個思路是引入Kate承諾。

結合前述的約束多項式，我們可以對t(x)中出現的每一項都構建一個承諾，以實現驗證方的驗證。PLONK證明的具體內容如下，包含了兩個點處的驗證：Wz(X)為多個多項式的同點承諾，Wzw(X)則為另一個點處的對z(X)的承諾。

最后，PLONK的驗證在原文中也被歸納為一個簡潔的公式，實際上就是將上面提到的兩個點處的承諾簡單相加，具體等式如下所示：

以上就是PLONK和Groth16算法內容的具體對比結果，講了這么多冗長的公式變換，兩者在性能層面的差距究竟如何呢？

性能比較

在這里我們給出的是PLONK論文中的結論。Table1是在證明階段的一個性能比較，Table2則是驗證階段的性能。可以看出，在驗證上，兩者的差距不大，Groth16比PLONK多了一次配對運算；而在證明方面我們遺憾地發現，Groth16不論在證明的工作量還是證明長度上仍然保持著最優的性能。但需要指出的是PLONK，尤其當它工作在fast模式時，所使用的SRS長度是所有算法中最短的。

▲驗證階段性能比較

▲證明階段性能比較

前置知識

多項式減除

顧名思義，化減為除：若我們需要證明一個多項式f(x)在點a的取值為b，也就是證明f(a)-b=0；那么我們可以將其轉換為證明多項式f(x)-b可以整除(x-a)。其數學表示：

設多項式f(x)且f(a)=b，則存在一個多項式g(x)，使得：f(x)-b=g(x)(x-a)

kate承諾Kate承諾是由Kate，Zaverucha和Goldberg在2010年提出的一種多項式承諾方案。Kate承諾有多種形式，本文僅介紹PLONK中使用的常用形式，詳細可參考其paper中的相應內容。其常用形式可以概括為對多項式的隱藏和部分打開驗證。針對多項式f(x)，Kate承諾的具體步驟如下：

1）構造f(x)在點a處的承諾C

C：f(a)

2）選取點z，執行f(z)的opening

gz(x)=f(x)-f(z)/x-z

wz=gz(x)

3）給定f(z),C和Wz，驗證Kate承諾

C=wz*(a-z)+f(z)

以上就是“PLONKVSGroth16”的全部內容，如有任何疑問，歡迎添加小助手桔子加入技術交流群，在這里，你想知道的都會得到解答～

A.Kate,G.M.Zaverucha,andI.Goldberg.Constant-sizecommitmentstopolynomialsandtheirapplications.pages177–194,2010.

ArielGabizonandZacharyJ.WilliamsonandOanaCiobotaru.PLONK:PermutationsoverLagrange-basesforOecumenicalNoninteractiveargumentsofKnowledge.2019.

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