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Zilch

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Zilch 框架

部署透明零知识证明的框架

概述

Zilch 是一个实现可扩展且透明（无需可信设置）的知识论证(STARK) 的框架。 Zilch 由两个主要组件组成：前端和后端。

前端由 ZeroJava 编程语言（为零知识参数设计的 Java 子集）和用于将 ZeroJava 代码翻译为 zMIPS 汇编指令的编译器组成； zMIPS 是我们对 MIPS ISA 的扩展，用于支持 ZKP 编程。

后端将 zMIPS 汇编指令转换为算术电路，并生成 ZKP 以验证这些电路的评估。后端建立在 zkSTARK 库的 ZKP 结构之上，并将 libSTARK 的编程模型扩展到 zMIPS 抽象机。

免责声明：该代码是学术等级，用于学术同行评审和评估。作者已使用Ubuntu 20.04测试了代码。

引用这个作品

如果您发现我们的工作有用，请引用我们的出版物（IEEE Xplore，密码学 ePrint Archive）：

 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

汇编

Zilch 依赖项：

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

对于 ZeroJava 编译器依赖项，请参阅 ZeroJava 存储库。

构建Zilch

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

要验证安装类型./zilch-tests 。

构建 ZeroJava 编译器

 $ cd ZeroJava-compiler
$ mvn initialize
$ mvn package

执行

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

命令行参数

 --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)

有关如何使用标志的信息，请参阅下面的示例。

注意：如果私有磁带和公共磁带与 zMIPS 程序集文件位于同一目录中并且名为pubtape.txt和auxtape.txt ，Zilch 会自动检测它们。

zMIPS 示例

在 example-zmips 目录中，我们包含各种 zMIPS 示例。

在汇编器级别，我们的标签是字母数字标签，以双下划线开头和结尾（例如__example_label__ ），而在 Zilch 内部，这些标签被转换为指令号。

例如，下面是计算 5 阶乘的 zMIPS 代码：

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

用户定义的宏

在 Macros.json 中，我们根据现有的 zMIPS 指令定义自定义宏指令。例如，我们定义了inc和min宏指令，如下所示：

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

这意味着inc使用一个寄存器。 zMIPS 程序可以使用 inc 指令作为

 move $t0, 5
inc $t0
answer $t0

答案是6。

min宏指令使用三个寄存器和标签：

 "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__"
    }

读取指令的示例：

主磁带包含1, 2, 3, 4, ... ，而辅助磁带包含101, 102, 103, 104, ... 。

 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

为了执行上述程序，只需运行./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 。

通过网络验证：

zilch可执行文件的默认行为（不带标志--address 、 --verifier 、 --prover ）会导致本地执行。为了启用网络验证，首先应执行验证程序（ --verifier标志），然后执行证明者（ --prover标志）。验证者充当服务器等待证明者连接、执行和打印并将其决定返回给证明者。

例如，通过网络从磁带读取的简单示例：

首先运行验证程序侦听端口2324 ：

 ./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

然后证明者连接到端口2324 ：

 ./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