学习笔记 | 零知识证明算法之PLONK——协议

上一篇主要描述了PLONK协议里的一个核心部分，用置换校验的方法去证明电路门之间的一致性；接下来，将继续分享如何证明门的约束关系得成立，以及整体的协议剖析。

门约束

举个简单的例子，假如存在一个电路，电路中仅有3个乘法门，对应的约束如下：

L1*R1-O1=0

L2*R2-O2=0

L3*R3-O3=0

进行多项式压缩：定义多项式函数L(X),R(X),O(X)满足：

L(1)=L1,R(1)=R1,O(1)=O1

L(2)=L2,R(2)=R2,O(2)=O2

L(3)=L3,R(3)=R3,O(3)=O3

此时，定义新的多项式函数F(X)，令F(X)=L(X)*R(X)-O(X)

则有：

F(1)=L(1)*R(1)-O(1)=0

F(2)=L(2)*R(2)-O(2)=0

F(3)=L(3)*R(3)-O(3)=0

也就是表明：如果多项式函数F(X)在X=1,2,3处有零点，则说明门关系约束成立。

多项式函数F(X)在X=1,2,3处有零点则表明多项式F(X)可以被(X-1)(X-2)(X-3)整除，为了和论文一致，我们把这个多项式函数设置成Z(X)，即：

F(X)=T(X)*Z(X)==>T(X)=F(X)/Z(X)

京东数科首度公开区块链联邦学习算法:金色财经消息，京东数科近日首度公开区块链联邦学习算法，把联邦学习和区块链结合，并在区块链上构建联邦学习算法。完成二者更深层次的融合，包括共识机制等。二者的结合在未来会有越来越多的应用。区块链可以解决数的存储，具有不可篡改性，联邦学习能对数据隐私做表保护，其中有不少地方互补，同时区块链的分布式、去中心化特点，和联邦也有一些关系。

据了解，联邦学习是在满足数据隐私安全和监管要求的前提下，让人工智能系统更加高效准确地共同使用各自数据的机器学习框架。[2020/6/17]

如果能证明T(X)是一个多项式，则说明多项式F(X)与Z(X)有相同的零点，进而说明门约束关系成立。

一般过程应该如下：

1.P计算F(X)并把F(X)发送给V；

2.V根据Z(X)直接校验F(X)/Z(X)

但是如此过程存在两个问题，一个是复杂性问题，假如F(X)的阶为n，那通信复杂度就是O(n)；而是安全性问题，多项式F(X)完全暴露给V。

那应该如何解决这两个问题呢？最佳的答案可能就是：多项式承诺

多项式承诺

什么是多项式承诺？就是证明方P用一个很短的数据来代表一个多项式F，这些很短的数据可以被验证方V用来验证多项式F在某一点的值确实为证明方P声称的值z。

具体看一下论文里的定义：

声音 | 学习时报：建议加大数字货币的试点工作:学习时报发表文章《采取措施把疫情对经济的影响降到最低》，文章指出，这次疫情对中小微企业发展影响更大，加快相关金融改革和货币政策调整的紧迫性上升。建议加大数字货币的试点工作。随着数字时代的到来，区块链技术的快速发展催生了数字货币。下一步，可通过数字货币来增加金融包容性、支付效率、支付操作系统、网络安全。[2020/2/14]

由图可知：

1.Setup:初始化，生成计算多项式承诺需要的一些必备参数；

2.Commit:计算多项式承诺，其结果是一个值；

3.Open:返回与多项式承诺对应的多项式函数；

4.VerifyPoly:验证多项式承诺是否和多项式函数一致；

5.CreateWitness:证明多项式函数在某一点的值是否是证明方P声称的值，具体的数学方法就是：判断多项式是否能被整除，即：

6.VerifyEval:验证方V验证多项式函数在某一点的值是否是证明方P声称的值，具体的数学方法是：利用双线性配对验证其数学乘法逻辑关系。

继续回到我们上面的问题：

证明方如何证明：T(X)=F(X)/Z(X)，我们再简化一下场景，就令Z(X)=X-1，则:

T(X)=F(X)/(X-1)==>T(X)*(X-1)=F(X)==>T(X)*X=F(X)+T(X)

对应多项式承诺的协议可知：证明方P其实是想证明多项式函数F(X)再X=1处的值为0，因此根据协验证方只需要证明：

声音 | Galaxy Digital创始人：山寨币需要向比特币学习如何逐步吸引用户建立生态系统:加密公司Galaxy Digital创始人Mike Novogratz认为，并不是所有的山寨币都会成功，但是一些具有潜力和价值的必须寻求建立渠道，以使人们和机构更容易购买它们。他表示：”有很多垃圾筹集了很多资金，但没有可持续性。他们承诺要建立许多协议和生态系统，然后吸引用户使用该生态系统，使之成为投机资产。为了保持投机市场的活力，需要时不时以新闻和更新的形式加油。我们必须将这些代币视为风险投资。”同时他补充说，这些山寨币之所以失败，是因为它们在如何将人们引入其生态系统方面没有发挥作用。他强调这样的山寨币必须仰赖比特币，并观察该生态系统如何为逐步采用奠定基础。（AMBCrypto）[2019/10/7]

e(Commit(T(x)),x*G)=？e(Commit(F(x))+Commit(T(x)),G)(双线性配对的性质)

可以看出，利用多项式承诺的数学工具，既可以实现复杂度的优化，又可以实现隐私保护。

协议

接下来分析一下完整的PLONK协议：

Relation

动态 | 印度官员赴日本等国学习监管机构如何处理加密货币问题:据bitcoin 9月3日消息，印度证券交易委员会（SEBI）在其2017 – 18年度报告中透露，它已派出一些官员前往日本、英国、瑞士三个国家，研究监管机构如何处理加密货币问题。印度证券监管机构此次行动旨在与国际监管机构合作，深入了解其加密机制和系统，以改善其自身管理流程。[2018/9/3]

上图表示了PLONK算法里，要证明的一种关系，需要说明的是：

1.w代表着电路里的输入、输出，总共3n个，n是电路里乘法门的数量，每个门都有左输入，右输入和输出，因此w总共有3n个；

2.q*代表着选择向量，它的取值对应这这个是乘法门，还是加法门等类似的约束类型

3.σ代表着置换多项式，其表示门之间的一致性约束索引

4.倒数第一个公式代表门之间的约束成立

5.倒数第二个公式代表门的约束关系成立

CRS&P_Input&V_Input

上图表示了PLONK算法里的CRS设置，以及证明方P和验证方V的一些输入，需要说明的是：

周鸿祎评论纽约时报文章：这才是学习区块链技术最需要的基础:今日奇虎360创始人周鸿祎发布朋友圈，转载纽约时报杂志文章“子、假先知们一夜暴富背后：区块链是回归互联网本来意义的唯一希望”，并评论说这篇文章是迄今为止我所认为的最深入浅出的、最明明白白的一篇文章，没有大道理，没有空洞的口号，没有吓唬人的概念，这才是学习区块链技术最需要的基础。[2018/2/27]

1.整个协议都是基于多项式的，因此需要构建对应的多项式形式。

2.多项式σ的阶是3n的，由于和多项式承诺相关的CRS最高的阶位n+2，因此需要把σ拆分成3个多项式S,分别记录每个多项式的置换关系(L,R,O);

3.为了减少通信复杂度和保护隐私，协议基于多项式承诺构建，因此验证方V的输入都是承诺值。

Prove

上图表示了PLONK算法里证明方的一些操作，需要说明的是：

1.b1,...b9是随机数，从用法看是为了安全，但是我暂时也没明白，不加这个随机数，又会有什么安全问题？

2.a(X),b(X),c(X)分别是代表了电路里的左输入，右输入和输出

3.,,表示多项式的承诺值，参考多项式承诺小节里的承诺计算方法

上图表示了PLONK算法里证明方的一些操作，主要是置换校验，参考第一篇的置换校验的协议过程，生成多项式z(X)，需要说明的是：

1.β和?都是用来生成置换校验函数的参数，详见第一篇里f`(x)和g`(x)的生成过程；

2.z(X)的生成方式对应置换校验里跨多项式的生成过程，Li(X)为拉格朗日多项式基，性质满足，尽在x=i的时候为1，其他为0；

3.注意区分ω和w，ω是群H的生成元，是多项式的自变量的取值。w是电路的左输入，右输入和输出，是多项式L,R,O在在群H上的取值。

上图表示了PLONK算法里证明方P的一些操作，主要是把门约束和门之间的一致性约束组合到一起，通过α，需要说明的是：

1.根据前面的描述，门约束多项式和一致性约束多项式在群H上的所有元素都是取值为0的，因此都会被多项式ZH(X)整除，等同于上面所述的T(X);

2.因此，证明方只要能证明整除的结果的确是多项式，那就能证明，门约束多项式和一致性多项式在群H所有元素上取值为0，即所有约束关系成立，即电路逻辑成立；

3.可以知道的是t(X)的阶最高为3n，但是用于计算承诺的CRS只到了n的级别，因此需要把多项式t(X)拆分，然后单独计算承诺值。

上图表示了PLONK算法了证明方P的一些操作，主要根据多项式承诺的协议，前面P算出了多个多项式在点x=z处的值是多少，现在要用多项式承诺协议去证明，这些计算是正确的，需要说明的是：

1.为了减少验证方V的操作复杂度，t(X)的分子部分r(X)在x=z处的值，P计算好，然后验证方直接验证，其他的操作类似；

2.v的值看起来是为了更安全；

3.Wz(X)对应多项式协议里的CreateWitness操作，证明这些多项式r(X),a(X),b(X)等在x=z处的值确实等于r,a,b等，对Wzw(X)同理，并返回承诺值。

Verify

至此，证明方P的所有操作都完事了，接下来都是验证方V的操作。

上图表示了PLONK算法里验证方V的一些操作，主要重新生成相关的参数，确保证明方P没有作恶。需要说明的是：

1.从输入看，比较清晰，就是一些公开的输入和证明方P的证明输出；

2.根据输入，生成置换校验过程中需要的一些参数

上图表示了PLONK算法里验证方V的一些操作，对于一些公开的，并且计算复杂度很小的多项式，其在x=z处的值还是需要自己计算，更为方便。需要说明的是：

1.根据证明方P的过程来看，验证方V的核心工作就是验证两个多项式承诺；

2.两个多项式承诺验证需要两个配对，可以通过一个参数组合成一个配对，即μ；

3.在验证前，先计算Wz(x),Wzw(x)的分母在x=z处的值，两部分，减数和被减数，分别对应,。μ作为系数的，就是对应Wzw(X)多项式的。

4.最后通过一个双线性配对操作完成两个多项式承诺的验证。

结束

至此，PLONK算法的协议原理已全部分享完成，公式很密集，但是细分下来，又很有层次感。能坚持看完，已实属不易。各位读者有什么不同的简介，还请指教，谢谢。

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