TypeScript 零知识证明：具有类型安全的隐私技术

在当今的数字环境中，隐私至关重要。作为开发人员，我们有责任构建能够保护用户数据并确保安全交互的应用程序。零知识证明 (ZKP) 是一种密码学技术，允许一方（证明者）向另一方（验证者）证明某个声明为真，而无需透露声明本身以外的任何信息。这项技术正在彻底改变各个行业，从金融和医疗保健到投票系统和供应链管理。

本博文深入探讨了 ZKP 的世界，重点介绍了它们在 TypeScript 中的实现和使用。 TypeScript 凭借其强大的类型系统，为开发安全可靠的 ZKP 应用程序提供了强大的环境。我们将探讨基本概念、实际示例以及将 ZKP 与 TypeScript 的类型安全特性相结合的优势。

什么是零知识证明？

从本质上讲，零知识证明是两方之间的一个协议：证明者和验证者。证明者的目标是说服验证者他们拥有某些知识或满足特定条件，而无需透露知识本身。想象一下一种情况，爱丽丝想向鲍勃证明她知道数独游戏的解决方案，但不想给他看解决方案。 ZKP 使她能够做到这一点。

零知识证明的关键属性：

• 完备性：如果声明为真，诚实的证明者可以使诚实的验证者相信。
• 健全性：如果声明为假，任何证明者都无法使诚实的验证者相信。
• 零知识：验证者除了声明的有效性之外，什么也学不到。

零知识证明的类型：

存在几种类型的 ZKP，每种类型都有其自身的优点和缺点。其中一些最突出的包括：

• zk-SNARKs (零知识简洁非交互式知识论证)：以其小的证明大小和快速的验证时间而闻名，使其适用于链上应用。但是，它们通常需要一个受信任的设置。
• zk-STARKs (零知识可伸缩透明知识论证)：提供更大的可扩展性和透明度，因为它们不需要受信任的设置。但是，它们通常会导致更大的证明大小。
• Sigma 协议：可以使用 Fiat-Shamir 启发式方法进行非交互式处理的交互式协议。

为什么使用 TypeScript 进行零知识证明？

TypeScript 为 ZKP 应用程序的开发带来了几个优势：

• 类型安全：TypeScript 的静态类型系统有助于在开发过程中尽早发现错误，从而降低了出现错误的风险并提高了代码的可靠性。这在处理复杂的密码学算法时至关重要。
• 代码可维护性：TypeScript 对面向对象编程和模块化的支持使代码更易于理解、维护和扩展。
• 改进的开发者体验：TypeScript 提供了出色的工具，包括自动完成、重构和调试支持，从而提高了开发人员的生产力。
• JavaScript 兼容性：TypeScript 编译为 JavaScript，确保与各种平台和浏览器兼容。

设置 TypeScript ZKP 开发环境

在深入研究代码之前，让我们设置我们的开发环境。我们需要 Node.js、npm（或 yarn）以及代码编辑器，如 VS Code。

1. 安装 Node.js 和 npm：从官方网站 (nodejs.org) 下载并安装 Node.js。 npm 通常包含在 Node.js 中。
2. 安装 TypeScript：打开一个终端并运行：npm install -g typescript
3. 安装 Circom 和 SnarkJS（如果使用 zk-SNARKs）：这些工具对于定义和编译 zk-SNARKs 的电路至关重要。 使用以下命令全局安装它们：npm install -g circom snarkjs
4. 创建一个新的 TypeScript 项目：为您的项目创建一个新目录并初始化一个 TypeScript 项目：mkdir my-zkp-project && cd my-zkp-project && tsc --init
5. 安装必要的库：安装任何其他必需的库，例如用于处理大数或执行密码学操作的库。 例如：npm install snarkjs circomlib @noble/curves

示例：使用 TypeScript 的简单 zk-SNARK

让我们使用 Circom 和 SnarkJS 来说明一个基本的 zk-SNARK 示例。此示例演示了证明一个秘密值 'x'，使得 x * x * x + x == 35。

1. 定义 Circom 电路 (circuit.circom)：

```circom pragma circom 2.0.0; template MyCircuit() { signal input x; signal output out; signal sqr <-- x * x; signal cube <-- sqr * x; out <== cube + x; out === 35; } component main {public: out} = MyCircuit(); ```

此电路定义了一个简单的计算：`x^3 + x = 35`。 目标是证明知道 'x'，而无需透露其值。

2. 编译 Circom 电路：

使用 Circom 编译器生成 R1CS（秩-1 约束系统）表示和 WASM 代码：

```bash circom circuit.circom --r1cs --wasm ```

3. 生成证明和验证密钥：

SnarkJS 用于执行受信任的设置并生成证明和验证密钥。 重要提示：在生产环境中，应使用安全的多方计算 (MPC) 进行受信任的设置，以防止漏洞。

```bash snarkjs powersoftau new bn128 12 powersOfTau2_12.ptau snarkjs powersoftau prepare phase2 powersOfTau2_12.ptau powersOfTau2_12_final.ptau snarkjs plonk setup circuit.r1cs powersOfTau2_12_final.ptau circuit.zkey ```

4. 生成见证：

创建一个 TypeScript 文件（例如，`generate_witness.ts`）以生成见证，其中包含给定输入的电路中所有信号的值。

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitness() { const input = { x: 3 }; // The secret value 'x' const witness = await groth16.fullProve(input, "circuit_js/circuit.wasm", "circuit.zkey"); fs.writeFileSync("witness.json", JSON.stringify(witness, null, 2)); console.log("Witness generated successfully!"); } generateWitness(); ```

使用 npm 安装 `snarkjs`：npm install snarkjs。 然后，运行 TypeScript 文件：ts-node generate_witness.ts。 您可能需要安装 `ts-node`：npm install -g ts-node

5. 生成证明：

修改 `generate_witness.ts` 文件以也生成证明：

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function generateWitnessAndProof() { const input = { x: 3 }; // The secret value 'x' const { proof, publicSignals } = await groth16.fullProve(input, "circuit_js/circuit.wasm", "circuit.zkey"); fs.writeFileSync("proof.json", JSON.stringify(proof, null, 2)); fs.writeFileSync("public.json", JSON.stringify(publicSignals, null, 2)); console.log("Proof generated successfully!"); } generateWitnessAndProof(); ```

运行脚本：ts-node generate_witness.ts。

6. 验证证明：

创建另一个 TypeScript 文件（例如，`verify_proof.ts`）来验证生成的证明。

```typescript import { groth16 } from 'snarkjs'; import * as fs from 'fs'; async function verifyProof() { const vKey = JSON.parse(fs.readFileSync("circuit.vkey").toString()); const proof = JSON.parse(fs.readFileSync("proof.json").toString()); const publicSignals = JSON.parse(fs.readFileSync("public.json").toString()); const verified = await groth16.verify(vKey, publicSignals, proof); if (verified) { console.log("Proof verified successfully!"); } else { console.log("Proof verification failed."); } } verifyProof(); ```

在运行验证脚本之前，从 `.zkey` 文件导出验证密钥：

```bash snarkjs zkey export verificationkey circuit.zkey circuit.vkey ```

运行验证脚本：ts-node verify_proof.ts。

此示例演示了使用 Circom、SnarkJS 和 TypeScript 创建和验证 zk-SNARK 的基本工作流程。虽然这是一个简化的示例，但它突出了所涉及的关键步骤。

TypeScript ZKP 的实际用例

ZKP 正在各个行业中得到应用：

• 去中心化金融 (DeFi)：保护 DeFi 协议中的用户隐私，实现机密交易，并在不透露敏感信息的情况下验证贷款抵押品。 例如，在去中心化交易所 (DEX) 上隐藏交易金额和发件人/收件人身份。
• 供应链管理：验证商品的真实性和来源，而无需透露敏感的供应商信息。 这可以帮助防止假冒并确保道德采购。 例如，证明产品的原产地和认证，而无需透露具体的工厂细节。
• 投票系统：构建安全和私密的电子投票系统，可以在不透露个人选民偏好的情况下验证选票。 这确保了公平和透明的选举。
• 医疗保健：安全私密地共享医疗数据。 患者可以证明他们符合某些健康标准，而无需透露他们的全部病史。 例如，证明对某种疾病的免疫力，而无需透露其他病症。
• 身份管理：验证用户身份，而无需透露敏感的个人信息。 用户可以证明他们已超过一定年龄，而无需透露其确切的出生日期。
• 机器学习：验证机器学习模型和数据集的完整性，而无需透露基础数据。 这对于确保公平性和防止偏差至关重要。

高级主题和注意事项

除了基础知识之外，还有几个高级主题值得探讨：

• 选择正确的 ZKP 系统：选择合适的 ZKP 系统（zk-SNARKs、zk-STARKs 等）取决于应用程序的具体要求，考虑证明大小、验证时间和安全假设等因素。
• 实现自定义电路：设计高效且安全的电路对于优化 ZKP 性能至关重要。 这需要对底层密码学原理有深入的了解，并仔细考虑约束条件。
• 处理大型数据集：在 ZKP 应用程序中处理大型数据集可能具有挑战性。 可以使用 Merkle 树和递归 ZKP 等技术来提高可扩展性。
• 安全审计：全面的安全审计对于识别和减轻 ZKP 实现中的潜在漏洞至关重要。 与经验丰富的安全研究人员合作，审查您的代码和电路设计。
• 性能优化：优化 ZKP 应用程序的性能对于实际部署至关重要。 剖析您的代码和电路可以帮助识别瓶颈和需要改进的领域。

开发 TypeScript ZKP 应用程序的最佳实践

以下是开发 TypeScript ZKP 应用程序时要遵循的一些最佳实践：

• 优先考虑安全性：安全性应在整个开发过程中成为首要任务。 使用既定的密码学库并遵循安全最佳实践。
• 编写清晰简洁的代码：编写易于理解和维护的代码。 使用有意义的变量名并添加注释以解释复杂的逻辑。
• 彻底测试：彻底测试您的代码，以确保其功能正确且能够抵抗攻击。 使用单元测试、集成测试和模糊测试来涵盖不同的场景。
• 记录您的代码：清晰、全面地记录您的代码。 提供对电路设计、密码学协议和 API 使用的详细说明。
• 保持更新：ZKP 领域在不断发展。 随时了解最新的研究和发展，以确保您的应用程序保持安全高效。
• 使用 linting 和格式化：使用 linting 和格式化程序（例如，ESLint、Prettier）强制执行一致的代码样式。
• 模块化设计：将您的代码分解为更小、可重用的模块，以提高可维护性和可测试性。

结论

零知识证明是一项强大的技术，有可能彻底改变各个领域的隐私和安全。 通过利用 TypeScript 的类型安全性和对开发人员友好的特性，我们可以构建强大可靠的 ZKP 应用程序。 虽然 ZKP 应用程序的开发需要仔细注意细节以及对密码学的深刻理解，但增强隐私和安全的好处使之成为一项值得努力的事情。 随着技术的成熟和工具的改进，我们预计未来 ZKP 将得到更广泛的采用，使最终用户能够更好地控制他们的数据，并促进一个更安全、更值得信赖的数字世界。

这篇文章为探索 TypeScript ZKP 的世界提供了一个起点。 继续学习、实验并为不断壮大的社区做出贡献，以帮助塑造增强隐私技术的未来。