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Zilch

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1.0.0

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Zilch 框架

部署透明零知識證明的框架

概述

Zilch 是實現可擴展且透明（無需可信設定）的知識論證(STARK) 的框架。 Zilch 由兩個主要組件組成：前端和後端。

前端由 ZeroJava 程式語言（為零知識參數設計的 Java 子集）和用於將 ZeroJava 程式碼翻譯為 zMIPS 組譯指令的編譯器組成； zMIPS 是我們對 MIPS ISA 的擴展，用於支援 ZKP 程式設計。

後端將 zMIPS 彙編指令轉換為算術電路，並產生 ZKP 以驗證這些電路的評估。後端建立在 zkSTARK 函式庫的 ZKP 結構之上，並將 libSTARK 的程式模型擴展到 zMIPS 抽象機。

免責聲明：該代碼是學術等級，用於學術同儕審查和評估。作者已使用Ubuntu 20.04測試了程式碼。

引用這件作品

如果您發現我們的工作有用，請引用我們的出版物（IEEE Xplore，密碼學 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

彙編

Zilch 依賴項：

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

對於 ZeroJava 編譯器相依性，請參閱 ZeroJava 儲存庫。

構建Zilch

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

要驗證安裝類型./zilch-tests 。

建置 ZeroJava 編譯器

 $ cd ZeroJava-compiler
$ mvn initialize
$ mvn package

執行

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

命令列參數

 --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)

有關如何使用標誌的信息，請參閱下面的範例。

注意：如果私有磁帶和公有磁帶與 zMIPS 組件檔案位於同一目錄且名稱為pubtape.txt和auxtape.txt ，Zilch 會自動偵測它們。

zMIPS 範例

在 example-zmips 目錄中，我們包含各種 zMIPS 範例。

在彙編器級別，我們的標籤是字母數字標籤，以雙底線開頭和結尾（例如__example_label__ ），而在 Zilch 內部，這些標籤被轉換為指令號。

例如，以下是計算 5 階乘的 zMIPS 程式碼：

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

使用者定義的巨集

在 Macros.json 中，我們根據現有的 zMIPS 指令定義自訂巨集指令。例如，我們定義了inc和min宏指令，如下所示：

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

這意味著inc使用一個暫存器。 zMIPS 程式可以使用 inc 指令作為

 move $t0, 5
inc $t0
answer $t0

答案是6。

min宏指令使用三個暫存器和標籤：

 "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__"
    }

讀取指令的範例：

主磁帶包含1, 2, 3, 4, ... ，而輔助磁帶包含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

為了執行上述程序，只需執行./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 。

透過網路驗證：

zilch可執行檔的預設行為（不含標誌--address 、 --verifier 、 --prover ）會導致本機執行。為了啟用網路驗證，首先應執行驗證程序（ --verifier標誌），然後執行證明者（ --prover標誌）。驗證者充當伺服器等待證明者連接、執行和列印並將其決定返回給證明者。

例如，透過網路從磁帶讀取的簡單範例：

首先執行驗證程序偵聽連接埠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

然後證明者連接到連接埠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