TON에서 간단한 ZK 프로젝트 만들기
👋 소개
Zero-knowledge (ZK) 증명은 한 당사자(증명자)가 다른 당사자(검증자)에게 진술의 유효성 이외의 어떤 정보도 공개하지 않고 진술이 참임을 증명할 수 있게 하는 기본적인 암호화 기법입니다. 제로 지식 증명은 프라이버시를 보호하는 시스템을 구축하는 강력한 도구이며 익명 결제, 익명 메시징 시스템, 그리고 무신뢰 브릿지 등 다양한 애플리케이션에서 사용되고 있습니다.
2023년 6월 이전에는 TON에서 암호화 증명을 검증하는 것이 불가능했습니다. 페어링 알고리즘 뒤의 복잡한 계산 때문에 증명 검증을 수행하기 위해 TVM 옵코드를 추가하여 TVM의 기능을 향상시킬 필요가 있었습니다. 이 기능은 2023년 6월 업데이트에서 추가되었으며 현재는 테스트넷에서만 사용할 수 있습니다.
🦄 이 튜토리얼에서 다룰 내용
- 제로 지식 암호화의 기초와 특히 zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge)
- 신뢰할 수 있는 설정 세리머니 시작하기 (Powers of Tau 사용)
- 간단한 ZK 회로 작성 및 컴파일하기 (Circom 언어 사용)
- 샘플 ZK-증명을 검증하기 위한 FunC 컨트랙트 생성, 배포 및 테스트
🟥🟦 색상 중심의 예시로 ZK-증명 설명하기
제로 지 식의 세부사항을 파고들기 전에, 간단한 문제부터 시작해보겠습니다. 색맹인 사람에게 서로 다른 색상을 구별할 수 있다는 것을 증명하고 싶다고 가정해봅시다. 이 문제를 해결하기 위해 대화형 솔루션을 사용하겠습니다. 색맹인 사람(검증자)이 똑같은 종이 두 장을 찾았는데, 하나는 빨간색 🟥이고 하나는 파란색 🟦이라고 가정해봅시다.
검증자는 당신(증명자)에게 종이 한 장을 보여주고 그 색상을 기억하라고 합니다. 그런 다음 검증자는 그 특정 종이를 등 뒤에 숨기고 그대로 두거나 바꾼 다음 색상이 바뀌었는지 아닌지 물어봅니다. 색상 차이를 구별할 수 있다면, 당신은 색상을 볼 수 있다는 것을 증명한 것입니다(또는 50%의 확률로 맞출 수 있었기 때문에 그저 운이 좋았을 수도 있습니다).
이제 검증자가 이 과정을 10번 반복하고 매번 차이를 구별할 수 있다면, 검증자는 ~99.90234% (1 - (1/2)^10)의 확신을 갖게 됩니다. 따라서 검증자가 30번 반복한다면, 99.99999990686774% (1 - (1/2)^30)의 확신을 갖게 됩니다.
그럼에도 불구하고, 이는 대화형 솔루션이며 특정 데이터를 증명하기 위해 사용자가 30개의 트랜잭션을 보내야 하는 DApp을 가지는 것은 효율적이지 않습니다. 따라서 비대화형 솔루션이 필요합니다. 여기서 Zk-SNARKs와 Zk-STARKs가 등장합니다.
이 튜토리얼에서는 Zk-SNARKs만 다룰 것입니다. 하지만 Zk-STARKs가 어떻게 작동하는지는 StarkWare 웹사이트에서 읽을 수 있으며, Zk-SNARKs와 Zk-STARKs의 차이점에 대한 정보는 이 Panther Protocol 블로그 포스트 에서 찾을 수 있습니다.
🎯 Zk-SNARK: 영지식 간결 비대화식 지식 증명
Zk-SNARK는 비대화형 증명 시스템으로, 증명자는 단순히 하나의 증명을 제출하는 것만으로 진술이 참임을 검증자에게 보여줄 수 있습니다. 그리고 검증자는 매우 짧은 시간 안에 증명을 검증할 수 있습니다. 일반적으로 Zk-SNARK는 다음 세 가지 주요 단계로 구성됩니다:
- 다자간 계산(MPC) 프로토콜을 사용하여 증명 및 검증 키를 생성하는 신뢰할 수 있는 설정 수행(Powers of TAU 사용)
- 증명자 키, 공개 입력, 비밀 입력(witness)을 사용하여 증명 생성
- 증명 검증
개발 환경을 설정하고 코딩을 시작해봅시다!
⚙ 개발 환경 설정
다음 단계를 통해 진행해보겠습니다:
- 다음 명령을 실행하여 Blueprint를 사용하여 "simple-zk"라는 새 프로젝트를 만듭니다. 그 후 컨트랙트의 이름을 입력하고(예: ZkSimple) 1번 옵션(빈 컨트랙트 사용)을 선택합니다.
npm create ton@latest simple-zk
- 다음으로 FunC 컨트랙트를 지원하도록 조정된 snarkjs 저장소를 클론합니다
git clone https://github.com/kroist/snarkjs.git
cd snarkjs
npm ci
cd ../simple-zk
- 그런 다음 ZkSNARKs에 필요한 라이브러리를 설치합니다
npm add --save-dev snarkjs ffjavascript
npm i -g circom
- 다음으로 package.json에 아래 섹션을 추가합니다(일부 opcodes는 아직 메인넷 릴리스에서 사용할 수 없습니다)
"overrides": {
"@ton-community/func-js-bin": "0.4.5-tvmbeta.1",
"@ton-community/func-js": "0.6.3-tvmbeta.1"
}
- 추가로 최신 TVM 업데이트를 사용하기 위해 @ton-community/sandbox의 버전을 변경해야 합니다
npm i --save-dev @ton-community/sandbox@0.12.0-tvmbeta.1
좋습니다! 이제 TON에서 첫 ZK 프로젝트를 작성할 준비가 되었습니다!
현재 우리의 ZK 프로젝트를 구성하는 두 개의 메인 폴더가 있습니다:
simple-zk폴더: 회로와 컨트랙트, 테스트를 작성할 수 있게 해주는 Blueprint 템플릿이 포함되어 있습니다snarkjs폴더: 2단계에서 클론한 snarkjs 저장소가 포함되어 있습니다
Circom 회로
먼저 simple-zk/circuits 폴더를 만들고 그 안에 파일을 만들어 다음 코드를 추가합니다:
template Multiplier() {
signal private input a;
signal private input b;
//private input means that this input is not public and will not be revealed in the proof
signal output c;
c <== a*b;
}
component main = Multiplier();
위에서 간단한 곱셈기 회로를 추가했습니다. 이 회로를 사용하면 두 수를 곱했을 때 특정 수(c)가 나오는 두 수(a와 b)를 알고 있다는 것을 그 수들 자체를 공개하지 않고도 증명할 수 있습니다.
circom 언어에 대해 더 자세히 알아보려면 이 웹사이트를 참고하세요.
다음으로 빌드 파일을 위한 폴더를 만들고 (simple-zk 폴더에 있는 동안) 다음을 수행하여 데이터를 이동시킵니다:
mkdir -p ./build/circuits
cd ./build/circuits
💪 Powers of TAU로 신뢰할 수 있는 설정 만들기
이제 신뢰할 수 있는 설정을 구축할 시간입니다. 이 과정을 수행하기 위해 Powers of Tau 방법을 사용할 것입니다(완료하는 데 몇 분이 걸릴 수 있습니다). 시작해보겠습니다:
echo 'prepare phase1'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau new bls12-381 14 pot14_0000.ptau -v
echo 'contribute phase1 first'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau contribute pot14_0000.ptau pot14_0001.ptau --name="First contribution" -v -e="some random text"
echo 'contribute phase1 second'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau contribute pot14_0001.ptau pot14_0002.ptau --name="Second contribution" -v -e="some random text"
echo 'apply a random beacon'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau beacon pot14_0002.ptau pot14_beacon.ptau 0102030405060708090a0b0c0d0e0f101112131415161718191a1b1c1d1e1f 10 -n="Final Beacon"
echo 'prepare phase2'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau prepare phase2 pot14_beacon.ptau pot14_final.ptau -v
echo 'Verify the final ptau'
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs powersoftau verify pot14_final.ptau
위 과정이 완료되면 build/circuits 폴더에 pot14_final.ptau 파일이 생성되며, 이는 향후 관련 회로 작성에 사용할 수 있습니다.
더 많은 제약이 있는 더 복잡한 회로를 작성하는 경우, 더 큰 매개변수를 사용하여 PTAU 설정을 생성해야 합니다.
불필요한 파일을 제거할 수 있습니다:
rm pot14_0000.ptau pot14_0001.ptau pot14_0002.ptau pot14_beacon.ptau
📜 회로 컴파일
이제 build/circuits 폴더에서 다음 명령을 실행하여 회로를 컴파일해보겠습니다:
circom ../../circuits/test.circom --r1cs circuit.r1cs --wasm circuit.wasm --prime bls12381 --sym circuit.sym
이제 회로가 build/circuits/circuit.sym, build/circuits/circuit.r1cs, build/circuits/circuit.wasm 파일로 컴파일되었습니다.
snarkjs는 현재 altbn-128과 bls12-381 타원 곡선을 지원합니다. altbn-128 곡선은 이더리움에서만 지원됩니다. 하지만 TON에서는 bls12-381 곡선만 지원됩니다.
다음 명령을 입력하여 우리 회로의 제약 크기를 확인해보겠습니다:
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs r1cs info circuit.r1cs
따라서 올바른 결과는 다음과 같아야 합니다:
[INFO] snarkJS: Curve: bls12-381
[INFO] snarkJS: # of Wires: 4
[INFO] snarkJS: # of Constraints: 1
[INFO] snarkJS: # of Private Inputs: 2
[INFO] snarkJS: # of Public Inputs: 0
[INFO] snarkJS: # of Labels: 4
[INFO] snarkJS: # of Outputs: 1
이제 다음을 실행하여 참조 zkey를 생성할 수 있습니다:
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey new circuit.r1cs pot14_final.ptau circuit_0000.zkey
그런 다음 zkey에 다음 기여를 추가합니다:
echo "some random text" | node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey contribute circuit_0000.zkey circuit_0001.zkey --name="1st Contributor Name" -v
다음으로 최종 zkey를 내보냅니다:
echo "another random text" | node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey contribute circuit_0001.zkey circuit_final.zkey
이제 최종 zkey가 build/circuits/circuit_final.zkey 파일에 있습니다. 다음을 입력하여 zkey를 검증합니다:
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey verify circuit.r1cs pot14_final.ptau circuit_final.zkey
마지막으로 검증 키를 생성할 시간입니다:
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey export verificationkey circuit_final.zkey verification_key.json
그런 다음 불필요한 파일을 제거합니다:
rm circuit_0000.zkey circuit_0001.zkey
위 과정을 수행한 후 build/circuits 폴더는 다음과 같이 표시되어야 합니다:
build
└── circuits
├── circuit_final.zkey
├── circuit.r1cs
├── circuit.sym
├── circuit.wasm
├── pot14_final.ptau
└── verification_key.json
✅ 검증자 컨트랙트 내보내기
이 섹션의 마지막 단계는 ZK 프로젝트에서 사용할 FunC 검증자 컨트랙트를 생성하는 것입니다.
node ../../../snarkjs/build/cli.cjs zkey export funcverifier circuit_final.zkey ../../contracts/verifier.fc
그러면 verifier.fc 파일이 contracts 폴더에 생성됩니다.
🚢 검증자 컨트랙트 배포
ZK-SNARKs의 마법이 담긴 contracts/verifier.fc 파일을 단계별로 살펴보겠습니다:
const slice IC0 = "b514a6870a13f33f07bc314cdad5d426c61c50b453316c241852089aada4a73a658d36124c4df0088f2cd8838731b971"s;
const slice IC1 = "8f9fdde28ca907af4acff24f772448a1fa906b1b51ba34f1086c97cd2c3ac7b5e0e143e4161258576d2a996c533d6078"s;
const slice vk_gamma_2 = "93e02b6052719f607dacd3a088274f65596bd0d09920b61ab5da61bbdc7f5049334cf11213945d57e5ac7d055d042b7e024aa2b2f08f0a91260805272dc51051c6e47ad4fa403b02b4510b647ae3d1770bac0326a805bbefd48056c8c121bdb8"s;
const slice vk_delta_2 = "97b0fdbc9553a62a79970134577d1b86f7da8937dd9f4d3d5ad33844eafb47096c99ee36d2eab4d58a1f5b8cc46faa3907e3f7b12cf45449278832eb4d902eed1d5f446e5df9f03e3ce70b6aea1d2497fd12ed91bd1d5b443821223dca2d19c7"s;
const slice vk_alpha_1 = "a3fa7b5f78f70fbd1874ffc2104f55e658211db8a938445b4a07bdedd966ec60090400413d81f0b6e7e9afac958abfea"s;
const slice vk_beta_2 = "b17e1924160eff0f027c872bc13ad3b60b2f5076585c8bce3e5ea86e3e46e9507f40c4600401bf5e88c7d6cceb05e8800712029d2eff22cbf071a5eadf166f266df75ad032648e8e421550f9e9b6c497b890a1609a349fbef9e61802fa7d9af5"s;
위는 검증자 컨트랙트가 증명 검증을 구현하기 위해 사용해야 하는 상수들입니다. 이러한 매개변수는 build/circuits/verification_key.json 파일에서 찾을 수 있습니다.
slice bls_g1_add(slice x, slice y) asm "BLS_G1_ADD";
slice bls_g1_neg(slice x) asm "BLS_G1_NEG";
slice bls_g1_multiexp(
slice x1, int y1,
int n
) asm "BLS_G1_MULTIEXP";
int bls_pairing(slice x1, slice y1, slice x2, slice y2, slice x3, slice y3, slice x4, slice y4, int n) asm "BLS_PAIRING";
위 줄들은 TON 블록체인에서 페어링 검사를 수행할 수 있게 해주는 새로운 TVM 옵코드입니다.
load_data와 save_data 함수는 단순히 증명 검증 결과를 로드하고 저장하는 데 사용됩니다(테스트 목적으로만).
() load_data() impure {
var ds = get_data().begin_parse();
ctx_res = ds~load_uint(32);
ds.end_parse();
}
() save_data() impure {
set_data(
begin_cell()
.store_uint(ctx_res, 32)
.end_cell()
);
}
다음에는 컨트랙트로 보내진 증명 데이터를 로드하는 데 사용되는 몇 가지 간단한 유틸리티 함수가 있습니다:
(slice, slice) load_p1(slice body) impure {
...
}
(slice, slice) load_p2(slice body) impure {
...
}
(slice, int) load_newint(slice body) impure {
...
}
그리고 마지막 부분은 컨트랙트로 보내진 증명의 유효성을 검사하는 데 필요한 groth16Verify 함수입니다.
() groth16Verify(
slice pi_a,
slice pi_b,
slice pi_c,
int pubInput0
) impure {
slice cpub = bls_g1_multiexp(
IC1, pubInput0,
1
);
cpub = bls_g1_add(cpub, IC0);
slice pi_a_neg = bls_g1_neg(pi_a);
int a = bls_pairing(
cpub, vk_gamma_2,
pi_a_neg, pi_b,
pi_c, vk_delta_2,
vk_alpha_1, vk_beta_2,
4);
;; ctx_res = a;
if (a == 0) {
ctx_res = 0;
} else {
ctx_res = 1;
}
save_data();
}
이제 wrappers 폴더의 두 파일을 편집해야 합니다. 첫 번째로 주목해야 할 파일은 ZkSimple.compile.ts 파일입니다(1단계에서 다른 이름을 설정했다면 이름이 다를 것입니다). 컴파일해야 하는 컨트랙트 목록에 verifier.fc 파일을 넣을 것입니다.
import { CompilerConfig } from '@ton-community/blueprint';
export const compile: CompilerConfig = {
lang: 'func',
targets: ['contracts/verifier.fc'], // <-- here we put the path to our contract
};
주목해야 할 다른 파일은 ZkSimple.ts입니다. 먼저 verify의 옵코드를 Opcodes enum에 추가해야 합니다:
export const Opcodes = {
verify: 0x3b3cca17,
};
다음으로 ZkSimple 클래스에 sendVerify 함수를 추가해야 합니다. 이 함수는 증명을 컨트랙트로 보내고 테스트하는 데 사용되며 다음과 같습니다:
async sendVerify(
provider: ContractProvider,
via: Sender,
opts: {
pi_a: Buffer;
pi_b: Buffer;
pi_c: Buffer;
pubInputs: bigint[];
value: bigint;
queryID?: number;
}
) {
await provider.internal(via, {
value: opts.value,
sendMode: SendMode.PAY_GAS_SEPARATELY,
body: beginCell()
.storeUint(Opcodes.verify, 32)
.storeUint(opts.queryID ?? 0, 64)
.storeRef(
beginCell()
.storeBuffer(opts.pi_a)
.storeRef(
beginCell()
.storeBuffer(opts.pi_b)
.storeRef(
beginCell()
.storeBuffer(opts.pi_c)
.storeRef(
this.cellFromInputList(opts.pubInputs)
)
)
)
)
.endCell(),
});
}
다음으로 ZkSimple 클래스에 cellFromInputList 함수를 추가합니다. 이 함수는 컨트랙트로 보낼 공개 입력으로부터 셀을 만드는 데 사용됩니다.
cellFromInputList(list: bigint[]) : Cell {
var builder = beginCell();
builder.storeUint(list[0], 256);
if (list.length > 1) {
builder.storeRef(
this.cellFromInputList(list.slice(1))
);
}
return builder.endCell()
}
마지막으로 ZkSimple 클래스에 추가할 마지막 함수는 getRes 함수입니다. 이 함수는 증명 검증 결과를 받는 데 사용됩니다.
async getRes(provider: ContractProvider) {
const result = await provider.get('get_res', []);
return result.stack.readNumber();
}
이제 컨트랙트를 배포하는 데 필요한 테스트를 실행할 수 있습니다. 이를 위해서는 컨트랙트가 배포 테스트를 성공적으로 통과해야 합니다. simple-zk 폴더의 루트에서 다음 명령을 실행합니다:
npx blueprint test
🧑💻 검증자를 위한 테스트 작성하기
tests 폴더의 ZkSimple.spec.ts 파일을 열고 verify 함수에 대한 테스트를 작성해보겠습니다. 테스트는 다음과 같이 수행됩니다:
describe('ZkSimple', () => {
let code: Cell;
beforeAll(async () => {
code = await compile('ZkSimple');
});
let blockchain: Blockchain;
let zkSimple: SandboxContract<ZkSimple>;
beforeEach(async () => {
// deploy contract
});
it('should deploy', async () => {
// the check is done inside beforeEach
// blockchain and zkSimple are ready to use
});
it('should verify', async () => {
// todo write the test
});
});
먼저 테스트에서 사용할 몇 가지 패키지를 임포트해야 합니다:
import * as snarkjs from "snarkjs";
import path from "path";
import {buildBls12381, utils} from "ffjavascript";
const {unstringifyBigInts} = utils;
* If you run the test, the result will be a TypeScript error, because we don't have a declaration file for the module 'snarkjs' & ffjavascript. This can be addressed by editing the `tsconfig.json` file in the root of the `simple-zk` folder. We'll need to change the _**strict**_ option to **_false_** in that file
*
We'll also need to import the `circuit.wasm` and `circuit_final.zkey` files which will be used to generate the proof to send to the contract.
```ts
const wasmPath = path.join(__dirname, "../build/circuits", "circuit.wasm");
const zkeyPath = path.join(__dirname, "../build/circuits", "circuit_final.zkey");
should verify 테스트를 채워보겠습니다. 먼저 증명을 생성해야 합니다.
it('should verify', async () => {
// proof generation
let input = {
"a": "123",
"b": "456",
}
let {proof, publicSignals} = await snarkjs.groth16.fullProve(input, wasmPath, zkeyPath);
let curve = await buildBls12381();
let proofProc = unstringifyBigInts(proof);
var pi_aS = g1Compressed(curve, proofProc.pi_a);
var pi_bS = g2Compressed(curve, proofProc.pi_b);
var pi_cS = g1Compressed(curve, proofProc.pi_c);
var pi_a = Buffer.from(pi_aS, "hex");
var pi_b = Buffer.from(pi_bS, "hex");
var pi_c = Buffer.from(pi_cS, "hex");
// todo send the proof to the contract
});
다음 단계를 위해 g1Compressed, g2Compressed, toHexString 함수를 정의해야 합니다. 이들은 암호화 증명을 컨트랙트가 기대하는 형식으로 변환하는 데 사용됩니다.
function g1Compressed(curve, p1Raw) {
let p1 = curve.G1.fromObject(p1Raw);
let buff = new Uint8Array(48);
curve.G1.toRprCompressed(buff, 0, p1);
// convert from ffjavascript to blst format
if (buff[0] & 0x80) {
buff[0] |= 32;
}
buff[0] |= 0x80;
return toHexString(buff);
}
function g2Compressed(curve, p2Raw) {
let p2 = curve.G2.fromObject(p2Raw);
let buff = new Uint8Array(96);
curve.G2.toRprCompressed(buff, 0, p2);
// convert from ffjavascript to blst format
if (buff[0] & 0x80) {
buff[0] |= 32;
}
buff[0] |= 0x80;
return toHexString(buff);
}
function toHexString(byteArray) {
return Array.from(byteArray, function (byte: any) {
return ('0' + (byte & 0xFF).toString(16)).slice(-2);
}).join("");
}
이제 암호화 증명을 컨트랙트로 보낼 수 있습니다. 이를 위해 sendVerify 함수를 사용할 것입니다. sendVerify 함수는 5개의 매개변수를 기대합니다: pi_a, pi_b, pi_c, pubInputs, value.
it('should verify', async () => {
// proof generation
// send the proof to the contract
const verifier = await blockchain.treasury('verifier');
const verifyResult = await zkSimple.sendVerify(verifier.getSender(), {
pi_a: pi_a,
pi_b: pi_b,
pi_c: pi_c,
pubInputs: publicSignals,
value: toNano('0.15'), // 0.15 TON for fee
});
expect(verifyResult.transactions).toHaveTransaction({
from: verifier.address,
to: zkSimple.address,
success: true,
});
const res = await zkSimple.getRes();
expect(res).not.toEqual(0); // check proof result
return;
});
TON 블록체인에서 첫 증명을 검증할 준비가 되었나요? 다음을 입력하여 Blueprint 테스트를 실행해봅시다:
npx blueprint test
결과는 다음과 같아야 합니다:
PASS tests/ZkSimple.spec.ts
ZkSimple
✓ should deploy (857 ms)
✓ should verify (1613 ms)
Test Suites: 1 passed, 1 total
Tests: 2 passed, 2 total
Snapshots: 0 total
Time: 4.335 s, estimated 5 s
Ran all test suites.
이 튜토리얼의 코드가 포함된 저장소를 확인하려면 여기를 클릭하세요.
🏁 결론
이 튜토리얼에서 다음 기술을 배웠습니 다:
- 영지식과 특히 ZK-SNARKs의 복잡성
- Circom 회로 작성 및 컴파일
- 회로의 검증 키를 생성하는 데 사용된 MPC와 Powers of TAU에 대한 친숙도 증가
- 회로에 대한 FunC 검증자를 내보내기 위한 Snarkjs 라이브러리에 대한 친숙도
- 검증자 배포 및 테스트 작성을 위한 Blueprint에 대한 친숙도
참고: 위의 예시들은 간단한 ZK 사용 사례를 구축하는 방법을 가르쳐주었습니다. 그러나 다양한 산업에서 구현할 수 있는 매우 복잡한 ZK 중심의 사용 사례가 많이 있습니다. 다음과 같은 것들이 있습니다:
- 비공개 투표 시스템 🗳
- 비공개 복권 시스템 🎰
- 비공개 경매 시스템 🤝
- 비공개 트랜잭션 💸 (Toncoin이나 Jettons용)
이 튜토리얼에 대해 질문이 있거나 오류를 발견했다면 작성자에게 자유롭게 연락하세요: @saber_coder