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Zilch

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Zilch フレームワーク

透明性のあるゼロ知識証明を導入するためのフレームワーク

概要

Zilch は、スケーラブルかつ透過的(信頼できるセットアップの必要がない) ARguments of Knowledge (STARK) を実装するフレームワークです。 Zilch は、フロントエンドとバックエンドの 2 つの主要コンポーネントで構成されています。

フロントエンドは、ゼロ知識引数用に設計された Java のサブセットである ZeroJava プログラミング言語、および ZeroJava コードを zMIPS アセンブリ命令に変換するコンパイラーで構成されます。 zMIPS は、ZKP のプログラミングをサポートするための MIPS ISA の拡張機能です。

バックエンドは、zMIPS アセンブリ命令を演算回路に変換し、これらの回路の評価を検証するための ZKP を生成します。バックエンドは、zkSTARK ライブラリの ZKP 構造に基づいて構築され、libSTARK のプログラミングモデルを zMIPS 抽象マシンに拡張します。

免責事項:コードは学術レベルであり、学術的な査読と評価を目的としています。著者は、 Ubuntu 20.04でコードをテストしました。

この作品を引用する

私たちの研究が役立つと思われる場合は、私たちの出版物 (IEEE Xplore、Cryptology ePrint Archive) を引用してください。

 D. Mouris and N. G. Tsoutsos, "Zilch: A Framework for Deploying Transparent Zero-Knowledge Proofs,"
in IEEE Transactions on Information Forensics and Security (TIFS), 2021, DOI: 10.1109/TIFS.2021.3074869

編集

Zilch の依存関係:

OpenMP (https://en.wikipedia.org/wiki/OpenMP) apt install g++
libcrypto (https://wiki.openssl.org/index.php/Main_Page) apt install libssl-dev
libboost (https://www.boost.org/) apt install libboost-all-dev
libjson (https://github.com/open-source-parsers/jsoncpp) apt install libjsoncpp-dev
googletest (https://github.com/google/googletest) apt-get install libgtest-dev

ZeroJava コンパイラの依存関係については、ZeroJava リポジトリを参照してください。

ビルドジルチ

 $ git clone --recursive https://github.com/TrustworthyComputing/Zilch
$ cd Zilch
$ make -j8
$ make zilch-tests -j8

インストールを確認するには、 ./zilch-testsと入力します。

ZeroJava コンパイラをビルドする

 $ cd ZeroJava-compiler
$ mvn initialize
$ mvn package

実行

 $ ./zilch --asm <zMIPS assembly file path> [--tsteps <trace length log_2>] [--security <security parameter]> [--pubtape <primaryTapeFile>] [--auxtape <auxTapeFile>] [--verifier | --prover] [--address <address:port_number>]

コマンドライン引数

 --help      : Display this help message
--examples  : Display some usage examples
--show-asm  : Display zMIPS assembly input
--verbose   : Verbose output, print BAIR, ACSP, APR and FRI specifications

--asm       : Path to the zMIPS assembly code (required)
--tsteps    : trace length log_2 (optional, default = 5)
--security  : security parameter (optional, default = 60)
--pubtape   : path to the primary tape file (optional, default = none)
--auxtape   : path to the auxiliary tape file (optional, default = none)

The flags below enable verification over the network; if neither is enabled, the execution will be locally. Verifier acts as the server and thus should be executed first.
--address  : verifier-address:port-number (optional, default = 'localhost:1234')
--verifier : enables execution of the verifier, listening on port-number (optional, default = false)
--prover   : enables execution of the prover, transmitting to verifier-address:port-number (optional, default = false)

フラグの使用方法については、以下の例を参照してください。

注:プライベートテープとパブリックテープが zMIPS アセンブリファイルと同じディレクトリにあり、 pubtape.txtおよびauxtape.txtという名前が付けられている場合、Zilch はそれらのテープを自動的に検出します。

zMIPSの例

Examples-zmips ディレクトリには、さまざまな zMIPS サンプルが含まれています。

アセンブラレベルでは、ラベルは二重アンダースコアで始まり、終わる英数字のタグ (例: __example_label__ ) ですが、Zilch の内部では、これらのラベルは命令番号に変換されます。

たとえば、以下は 5 の階乗を計算する zMIPS コードです。

 move $t3, 5
move $t1, 1
move $t2, 1
__L1__:
    mult $t1, $t1, $t2
    add $t2, $t2, 1
bge $t3, $t2, __L1__
answer $t1

ユーザー定義マクロ

Macros.json では、既存の zMIPS 命令に基づいてカスタムマクロ命令を定義します。たとえば、以下に示すように、 incおよびminマクロ命令を定義しました。

 "inc": {
    "reg1": "$x",
    "macro": "add $x, $x, 1"
}

これは、 inc 1 つのレジスタを使用することを意味します。 zMIPS プログラムでは、inc 命令を次のように使用できます。

 move $t0, 5
inc $t0
answer $t0

答えは6になります。

minマクロ命令は 3 つのレジスタとラベルを使用します。

 "min": {
    "reg1": "$x",
    "reg2": "$y",
    "reg3": "$z",
    "uses_label" : "true",
    "macro" : "blt $y, $z, __min_label__
            move $x, $z
            j __end_min_label__
            __min_label__
            move $x, $y
            __end_min_label__"
    }

読み取り命令の例:

プライマリテープには1, 2, 3, 4, ...が入りますが、補助テープには101, 102, 103, 104, ...が入ります。

 pubread $t0             ; consume next word from public tape and store it to r0
print $t0

secread $t1             ; consume next word from auxiliary tape and store it to r1
print $t1

pubseek $t0, 3          ; read the 4th word from the public tape and store it to r0
print $t0

secseek $t1, 3          ; read the 4th word from the auxiliary tape and store it to r1
print $t1

answer $t0

上記のプログラムを実行するには、 ./zilch --asm ./examples-zmips/read_test/read_test.zmips --tsteps 5 --pubtape ./examples-zmips/read_test/read_test.pubtape --auxtape ./examples-zmips/read_test/read_test.auxtape実行するだけです。 ./zilch --asm ./examples-zmips/read_test/read_test.zmips --tsteps 5 --pubtape ./examples-zmips/read_test/read_test.pubtape --auxtape ./examples-zmips/read_test/read_test.auxtape 。

ネットワーク経由の検証:

zilch実行可能ファイルのデフォルトの動作 ( --address 、 --verifier 、 --proverフラグなし) では、ローカルで実行されます。ネットワーク経由の検証を有効にするには、最初に検証者 ( --verifierフラグ) を実行し、次に証明者 ( --proverフラグ) を実行する必要があります。検証者は証明者が接続するのを待つサーバーとして機能し、実行して出力し、その決定を証明者に返します。

たとえば、ネットワーク経由でのテープからの単純な読み取りの例は次のとおりです。

まず、ポート2324でリッスンするベリファイアを実行します。

 ./zilch --asm ./examples-zmips/read_test/read_test.zmips --tsteps 10 --security 120 --pubtape ./examples-zmips/read_test/read_test.pubtape --auxtape ./examples-zmips/read_test/read_test.auxtape --verifier --address localhost:2324

次に、証明者はポート2324に接続します。

 ./zilch --asm ./examples-zmips/read_test/read_test.zmips --tsteps 10 --security 120 --pubtape ./examples-zmips/read_test/read_test.pubtape --auxtape ./examples-zmips/read_test/read_test.auxtape --prover --address localhost:2324