slides.md

theme	background	class	highlighter	lineNumbers	info	drawings	transition	css
seriph	https://source.unsplash.com/collection/94734566/1920x1080	text-center	shiki	false	## Slidev Starter Template Presentation slides for developers. Learn more at [Sli.dev](https://sli.dev)	persist	slide-left	unocss

Cryptography Term Project - Decentralized Storage with Zero Knowledge Proof of Ownership

密碼學期末 - 去中心化儲存中的所有權零知識證明
組員 - 陳學義、邱浩宸

Press Space for next page

---

transition: fade-out

大綱

• 📝 Building Blocks - 定義問題、Overview
• 🧑‍💻 去中心化儲存 - IPFS、NFT
• 🤹 零知識證明 - 套件使用、簡介 Merkle Tree、迴路設計、智能合約設計
• 🎨 驗證流程
• 🎥 Demo - 鏈上驗證，鏈下驗證
• 🎥 Future Work - 去中心化儲存 + ZKP + DID Document，實作 Owner unlockable NFT

<style> h1 { background-color: #2B90B6; background-image: linear-gradient(45deg, #4EC5D4 10%, #146b8c 20%); background-size: 100%; -webkit-background-clip: text; -moz-background-clip: text; -webkit-text-fill-color: transparent; -moz-text-fill-color: transparent; } </style>

---

transition: fade-out

定義問題

Status Quo:

1. 大多數 Public Permissionless 的區塊鏈應用現階段所遇到的主要問題為 (a).吞吐量 (b).隱私問題
2. 以太坊生態系(web3生態系)的 Layer2 有許多處理以上兩個問題的協定/專案 e.g. Uniswap for (a), Polygon zkEVM for (b)

Problem Formulation:

1. 大多數區塊鏈應用都是基於地址或公鑰，由於區塊鏈的可追朔性，知道公鑰等價於知道某個人過去所有交易
2. 只要有方法把公鑰跟所有者關聯就會洩漏所有者大量隱私
3. 若要保持去信任化，又不透露公鑰，可以有什麼做法？

Actions:

1. 透過零知識證明與智能合約來同時繞過公鑰且保持去信任化
2. 考慮一個在不透露公鑰的前提下證明自己擁有一個 NFT (或鏈上資產)

Demo:

1. 設計一個驗證流程
2. 利用circom ,zkSnark 及 solidity 完成驗證流程

---

transition: fade-out

去中心化儲存：IPFS, NFT

透過 infura ipfs gateway 把檔案pin住
```text link: https://wdnmd-nft.infura-ipfs.io/ipfs/QmTmjyZZ98c8q5Ewqikvc9buf7KPqNy5bBto2NLGV53zW8 ``` 圖檔：

```mermaid flowchart TD A(Image 上傳到 IPFS: CID_1) --> B(產生 Image 的描述檔) --> C(將描述檔`NFT Metadata`鑄在區塊鏈上) ```

--- transition: fade-out ---

ZKP - 套件使用 & 操作

1. circom - 迴路設計, 使用 ZKP friendly hash: Poseidon

flowchart LR
  A(<font size=4>get_merkle_root.circom) --決定leaf順序--> B(<font size=4>circuit.circom) --決定深度--> C(<font size=4>main.circom)

Loading

2. snarkJS(zkSnark) - Groth16 preset: (Phase1). Generate witness, (Phase2). Groth16 setup circuit by R1CS
   • (1) Export VerificationKey
   • (2) Create proof (gen. proof.json & public.json)
   • (3) Off-chain verify proof.json & public.json with verification_key.json
   • (4) Export sc callables
   • (5) Turn verifier into smart contract

1) $snarkjs zkey export verificationkey ${CUR_DIR}/circuit_final.zkey verification_key.json
2) $snarkjs groth16 prove ${CUR_DIR}/circuit_final.zkey witness.wtns proof.json public.json
3) $snarkjs groth16 verify verification_key.json public.json proof.json
4) $snarkjs zkey export soliditycalldata public.json proof.json
5) $snarkjs zkey export solidityverifier ${CUR_DIR}/circuit_final.zkey ../contracts/verifier.sol

---

transition: fade-out

ZKP - Merkle Tree 簡介

1. Preimage: L1 ~ L4
2. Leaf: hash(Preimage)
3. 第二次hash 是先將兩個Leaf hash concat起來再hash -> 講究左右順序
4. 只要有任何一片 leaf 改變或其左右順序改變，root也會改變
5. Merkle tree 證明邏輯
  公開資訊：(1). Root
  隱私資訊：(1). Merkle Path, (2). Merkle Path Position
Verifier在公開場域得到root1, Prover在非公開場域透過隱私資訊計算出root2; root1, root2相等為得證

---

transition: fade-out

ZKP - 迴路設計 (circom)

1. get_merkle_root: (1). Input/Output, (2).決定順序(pos=0 or 1)

  signal input leaf;
  signal input paths2_root[k];
  signal input paths2_root_pos[k];
  signal output out;
  ...
  merkle_root[0].inputs[0] <== paths2_root[0] - paths2_root_pos[0] * (paths2_root[0] - leaf);
  merkle_root[0].inputs[1] <== leaf - paths2_root_pos[0] * (leaf - paths2_root[0]);

---

transition: fade-out

ZKP - 迴路設計 (circom) cont.

2. circuit:

• (1) 沿用get_merkle_tree.circom
• (2-6) 本地計算merkle root
• (7) 比較輸入root與本地計算root, 需相等
• (9-12) 一樣邏輯比較輸入與本地nullifier

  1) component computed_root = GetMerkleRoot(k);
  2) computed_root.leaf <== leaf.out;
     for (var w = 0; w < k; w++){
         computed_root.paths2_root[w] <== paths2_root[w];
         computed_root.paths2_root_pos[w] <== paths2_root_pos[w];
     }
  7) root === computed_root.out;
  ...
  9) component nullifier = Poseidon(2);
     nullifier.inputs[0] <== cmt_index.out;
     nullifier.inputs[1] <== secret;
 12) nullifierHash === nullifier.out;

---

transition: fade-out

ZKP - 智能合約設計

CID 註冊, Verifier向zkAgent註冊CID
(6). zkAgent 紀錄 Ｖerifier 提交的 CID
```solidity{all|6|all} 1) mapping(string => bool) public CheckCID; 2) ... 3) function registerCID( 4) string calldata _cid 5) )public{ 6) CheckCID[_cid] = true; 7) } ``` CID 檢驗 , Prover 向 zkAgent 回應 CID
(3). 只回送CID已記錄與否
(4). 必須要有紀錄，否則Prover無需進行證明
```solidity{all|3|4|all} 1) function ProverResponse( 2) string calldata _cid 3) )public view returns (bool r){ 4) require(CheckCID[_cid], "Unrecognized CID"); 5) return true; 6) } ```

主合約
(1). 引用 snarkJS 產生的 verifier.sol
(2-4). 透過 mapping 鏈上紀錄用過的root 及 nullifier
(5,14). 將event emit給後台
(8-10). 檢查輸入的 root, CID 及 nullifier
(11-12). 檢查通過則紀錄輸入的 root 及 nullifier
```solidity{all|1|2-4|5,14|8-10|11-12|all} 1) contract zkAgent is Verifier{ 2) mapping(uint256 => bool) public CheckNullifier; 3) mapping(uint256 => bool) public CheckRoot; 4) mapping(string => bool) public CheckCID; 5) event Verify(bool r); 6) ... 7) function verify( 8) require(!CheckNullifier[_nullifierHash], "Used Proof"); 9) require(!CheckRoot[_root], "Used Root"); 10) require(CheckCID[_cid], "CID not registered"); 11) CheckNullifier[_nullifierHash] = true; 12) CheckRoot[_root] = true; 13) 14) emit Verify(this.verifyProof(a, b, c, input)); ```

--- transition: fade-out --- # 驗證流程

(1). Verifier 傳送欲驗證的 Content ID 給 zkAgent
(2). zkAgent 在鏈上儲存 CID
(3-1). Prover 傳送欲證明的 CID 給 zkAgent
(3-2). zkAgent 檢查 Prover 傳送 CID 已存在與否
(4-1). (開發中) zkAgent 鏈上檢查 CID, NFT metadata 的所有權屬於 Prover
(4-2). (開發中) zkAgent 鏈上讀取 NFT owner unlockable secret (或其他Access Control方法) 並加密回傳
(5). Prover 將加密 secret 餵進本地迴路生成 ZK Proof
(6). Prover 將 Proof 傳給 Verifier
(7). Verifier 透過 Groth16 進行鏈下驗證
(8). Verifier 將 Proof 傳給 zkAgent 進行鏈上 one-time 驗證
(9). zkAgent 回傳驗證結果 True False

```mermaid {scale: 0.2} sequenceDiagram Verifier ->> zkAgent: (1) IPFS CID zkAgent ->> zkAgent: (2) Store CID Prover ->> zkAgent: (3) IPFS CID zkAgent ->> Prover: (4) hashed NFT owner unlockable secret Note over zkAgent, Prover: 由 sc 讀取＆加密 NFT owner unlockable secret Prover ->> Prover: (5) gen ZKP with secret Prover ->> Verifier: (6) ZK Proof Verifier ->> Verifier: (7) Off-Chain Verification Verifier ->> zkAgent: (8) On-Chain Verification zkAgent ->> Verifier: (9) T/F ```

--- transition: fade-out ---

Demo - 鏈上驗證: 使用套件 ＆ 部署環境：

1. 部署套件：hardhat
2. 測試套件：hardhat console
3. 部署網路：IOTA shimmer EVM

套件使用指令

npx hardhat run scripts/deploy.js --network shimmerEVM
npx hardhat console --network shimmerEVM

區塊鏈網路設定 (hardhat.config.ts)

module.exports = {
  solidity: '0.8.3',
  networks:{
    'shimmerEVM':{
      url:'https://json-rpc.evm.testnet.shimmer.network',
      chainId: 1071,
      accounts: ["<PRIVATE_KEY>"],
    },

---

transition: fade-out

Demo - 鏈上驗證

合約部署 (deploy.js)

• (1). 引用 hardhat 套件
• (6). 將合約擁有者 address 餵給constructor
• (8). 合約部署在擁有者名下

1. const hre = require("hardhat");
2. async function main() {
3.   const signers = await hre.ethers.getSigners();
4.   const zkAgent = await hre.ethers.getContractFactory("zkAgent");
5. 
6.   const zkAgentOwner = await zkAgent.deploy(signers[0].address);
7.   
8.   await zkAgentOwner.deployed();
9.   console.log('zkAgent deployed to:', zkAgentOwner.address);
10. }

---

transition: fade-out

Demo - 鏈上驗證: 合約測試

Verifier 註冊 CID (有transaction)

let agent = await hre.ethers.getContractAt('zkAgent',<ContractAddress>)
await agent.registerCID(<CID>)

--- transition: fade-out ---

Demo - 鏈上驗證: 合約測試

Prover 回應 CID Challenge, 檢查 CID 是否已註冊 (無transaction)

//return T/F
await agent.ProverResponse(<CID>) 

--- transition: fade-out ---

Demo - 鏈上驗證: 合約測試

Verifier 收到 Proof 後鏈上驗證 (有transaction)

1. const tx = await agent.verify(<CID>,<proof>)
2. const result = await tx.wait()
3. 
4. for (const event of result.events) {
5.     console.log(`Event ${event.event} result: ${event.args}`);
6.   }

---

transition: fade-out

Demo - 鏈上驗證: 二次驗證

<style> .footnotes-sep { @apply mt-20 opacity-10; } .footnotes { @apply text-sm opacity-75; } .footnote-backref { display: none; } </style>

1. 用過的Proof會被合約檢查出來
2. 並且報錯列在 terminal
3. CID 也同理
```solidity require(!CheckNullifier[_nullifierHash], "Used Proof"); require(!CheckRoot[_root], "Used Root"); require(CheckCID[_cid], "CID not registered"); ```