利用 AZTEC 协议进行匿名隐私转账

这次去 Devcon5 有机会跟 AZTEC 的开发者聊天,后续讨论中也厘清了我自己使用 AZTEC 的一些疑问,搞清楚后也分享本篇文章来介绍此协议。

Ethereum 区块链是一个透明的平台,虽然不知道特定地址的拥有人是谁,但是发生在区块链上的交易都可以看得一清二楚。而在日常使用时交易的保密性还是非常重要的。

先定义一下 保密 (confidentiality) :我们这边说的保密是隐藏着双方交易的金额不显示于区块链上,但又可以透过其他机制来验证此笔交易无误。但是交易的双方资讯还是公开的。

Ethereum 上面有许多基于零知识证明的解决方案都在试着建立可以提供保密支付的功能,今天要介绍的 Aztec 就是其中之一。

本文不会介绍 AZTEC 密码学上是如何达到的原理,而主要会聚焦在概观介绍以及如何使用如何发送保密交易。

简介

AZTEC 提供了一种名为ZKAsset 的资产,在系统里面我们称它为单据(note),你可以用任意数量的ERC20 转换任一数量的单据,举个例子,我们可以把10,000DAI 转换成一张单据,而这张单据就是等值的10,000 DAI,此时这张单据的价值是有被记录在区块链上的。

但是这个ZKAsset 的单据是可以切割成任意数量的,而切割时每张单据的价值此时就不是可见于区块链上了,所以当我把这个单据传给另外一个帐号时,只有单据的拥有者可以利用AZTEC 的工具得知这张单据的价值是多少。

而这张单据也可以将任意数量的 ERC20 转换出来使用,直到这张单据里面的 ERC20 用完为止。而单据跟单据也可以合并,这样的话里面到底包含多少数量的 ERC20 就会更无法预测。

这边我们假设一个使用情境来解释:一间公司想要保密的支付每个员工的薪水。这样的情境下,要如何使用 AZTEC 来达成呢?

首先公司先把 100,000 DAI 转成一张单据 A,此时这张单据价值 100,000 DAI 是公开的。

发薪水时,公司把单据 A 切成两份,分别价值 90,000 DAI 跟 10,000 DAI 的两张单据 A1, A2。

接着把 A2 传送给员工,此时这两张单据的价值并不会公开的记录在区块链上,但是拥有者依然可以透过 AZTEC 的工具来验证其价值。

员工收到代表10,000 DAI 的单据后,当需要用钱时可以将此单据中一部分的DAI 如1,000 DAI 从隐藏价值的note 切分出来,一部分变成公开的DAI,另外一部分仍是隐藏价值的note,此时区块链上可以知道此员工换出了1,000 DAI,但是不知道他还剩下多少DAI,此员工也可以一直重复这个步骤把钱领出。

如果下份薪水进来后,此员工还可以把他原本的两张单据合并或切分,让实际还有多少钱更难被推敲出来。

DEMO 案例

以上述这样的情境时,AZTEC 就可以利用其保密交易功能实现薪资保密转帐。而 AZTEC 的原理则是基于零知识证明的技术完成,使用时则是透过他们提供的工具 aztec.js 来产生零知识证明中所需要的证明,再透过 Aztec 提供的智能合约来完成这些保密交易。

在看源码前,一些名词先解释一下:

  • ZkAsset :价值保密的资产,将会绑定特定的 ERC20,比如说 DAI,会透过此智能合约的接口 confidentialTransfer() 进行保密转帐。保密转帐时会需要一些对应的资料将会由 aztec.js 工具产生。
  • ACE (AZTEC Cryptography Engine) :Aztec 的主合约,一些验证相关的合约都注册其中。在我们的案例中仅直接使用到 publicApprove() 功能用于同意 ERC20 转帐。其他的则会透过 ZkAsset 间接的调用到。
  • Aztec.js :AZTEC 提供的工具集合,用来建立票据、产生证明、透过私钥产生签名等等
  • JoinSplitProof :Aztec.js 之中多用途的证明,进行保密转帐时,会需要透过 JoinSplitProof 产生证明。

以下案例将利用Aztec 的工具在Rinkeby 网路上进行保密转帐,在看案例之前你可以先到etherscan 上面看从 0xa2b19…3a589 (block 5265001 ) 开始的6 个transactions,除了:

你有办法得知 Bob 实际上转了多少钱给 Alice 吗?

整个案例的流程如下:

  1. Bob 先无中生有价值 200 元(单纯测试用)
  2. Bob 把 100 元的 ERC20 token 转成一张价值 100 元的单据(公开)
  3. Bob 把单据切成两张,分别是 20 元的单据跟 80 元的单据(保密),并且把 80 元的单据给 Alice(保密)
  4. Alice 把 80 元的单据领出其中 10 元(公开),保留剩下 70 元的单据(保密)

Mint

这个步骤跟 Aztec 无关,单纯是测试用的 ERC20 加了一个 mint function 可以帮自己加值任意数量的 ERC20 token。

async function mint() {
  const mintValue = 200;
  console.log(chalk.green(`Minting ${mintValue} to Bob`));
  const tx = await bob.signers.erc20.mint(bob.address, mintValue);
  await tx.wait();
}

Deposit

这个步骤把 Bob 的 200 元中的 100 元转换成 aztec note,请注意这部分的金额会公开在区块链上。

1_deposit.js
async function deposit() {
  const depositValue = 100;
  console.log(chalk.green(`Deposit ${depositValue} from Bob's public erc20 to a aztec note`));

  console.log(`- executing bob.signers.erc20.approve()`);
  await (await bob.signers.erc20.approve(contractAddresses.ace, depositValue)).wait();

  const depositNote = await note.create(bob.publicKey, depositValue);
  depositNotes = [depositNote];
  const proof = new JoinSplitProof([], depositNotes, bob.address, depositValue * -1, bob.address);
  const data = proof.encodeABI(contractAddresses.zkAsset);
  const signatures = proof.constructSignatures(contractAddresses.zkAsset, []);

  const prevBalance = await erc20.balanceOf(bob.address);
  console.log(`- prevBalance: ${prevBalance.toString()}`);

  console.log(`- executing ace.publicApprove(ZK_ASSET_ADDRESS, ${proof.hash}, ${depositValue})`);
  await (await bob.signers.ace.publicApprove(
    contractAddresses.zkAsset,
    proof.hash,
    depositValue
  )).wait();

  console.log(`- executing zkAssetSigner.confidentialTransfer()`);
  await (await bob.signers.zkAsset.confidentialTransfer(data, signatures, ethOptions)).wait();

  const currBalance = await erc20.balanceOf(bob.address);
  console.log(`- currBalance: ${currBalance.toString()}`);
}

首先利用 erc20.approve(contractAddresses.ace, depositValue) 允许 ACE 合约转换资产。接着利用 note.create() 来产生单据,其中第一个参数是帐号的公钥,第二参数是此张单据的价值。

bob.signers.erc20.approve(contractAddresses.ace, depositValue);
const depositNote = await note.create(bob.publicKey, depositValue);

接下来透过 aztec.js 提供的 JoinSplitProof 来建立一个 proof,之后会作为 confidentialTransfer() 的参数传入。 JoinSplitProof 有几个功能:

  1. 合并单据
  2. 切分单据
  3. 把 ERC20 从一般的公开金额转换成保密金额
  4. 把单据中保密金额的 ERC20 转移部分金额变成公开金额

因为要达成以上功能,所以 JoinSplitProof 五个参数如下:

  • inputNotes : 你想要合并的 note,如果要从公开的 ERC20 转换进来时,就给一个空列表。
  • outputNotes : 想要输出的 note,这边可以是任意数量
  • sender : 送出这笔交易的帐号地址
  • publicValue : 要转出的公开金额,如果是负数是公开转成保密金额,反之则是保密金额转成公开金额
  • publicOwner : 公开金额 ERC20 的拥有者

在我们的例子第一次使用时是将 100 元转换成一张单据,用法如下:

const proof = new JoinSplitProof([], depositNotes, bob.address, depositValue * -1, bob.address);

const data = proof.encodeABI(contractAddresses.zkAsset);
const signatures = proof.constructSignatures(contractAddresses.zkAsset, []);

产生之后,我们会需要利用 encodeABI 以及 constructSignatures 分别产生给 confidentialTransfer() 用的参数,signatures 是要产生 inputNotes 的签名,因为我们这边没有任何 inputNotes,所以就会是一个空的列表。

接着除了 ERC20 要同意 ACE 合约可以动用资产外,因为 ACE 里面也会记录哪些资产是什么人可以动用,所以只要需要动用到公开的 ERC20 时,都会需要在这边同意资产动用。

ace.publicApprove(
    contractAddresses.zkAsset,
    proof.hash,
    depositValue
)

以上都做完了后,将 proof 产生的资料传入 confidentialTransfer() 即可。后面的 ethOptions 则适用于提高 gasLimit 来覆盖过ethers.js 提供的预设数值。

const ethOptions = {
  gasLimit: 1000000
};

zkAsset.confidentialTransfer(data, signatures, ethOptions)

切分单据与传送给 Alice

这边会将原本 Bob 拥有的 100 元单据切成一张 20 元给 Bob,另外一张 80 元给 Alice。

2_split_and_transfer.js
async function transferFromBobToAlice() {
  const msg =
    `Split note to note A with ${splitValues[0]} value for bob & ` +
    `note B with ${splitValues[1]} value for alice`;
  console.log(chalk.green(msg));

  const noteA = await note.create(bob.publicKey, splitValues[0]);
  const noteB = await note.create(alice.publicKey, splitValues[1]);
  transferNotes = [noteA, noteB];
  const transferProof = new JoinSplitProof(
    depositNotes,
    transferNotes,
    bob.address,
    0,
    bob.address
  );

  const transferData = transferProof.encodeABI(contractAddresses.zkAsset);
  const transferSignatures = transferProof.constructSignatures(contractAddresses.zkAsset, [
    bob.aztecAccount
  ]);

  console.log("- executing transfer: zkAssetSigner.confidentialTransfer()");

  await (await bob.signers.zkAsset.confidentialTransfer(
    transferData,
    transferSignatures,
    ethOptions
  )).wait();
}

这边跟前面的原理类似,先利用 note.create() 造出两张单据分别为 Bob 与 Alice 拥有。因为前一张的 inputNotes 是由 Bob 拥有,所以这边我们利用 constructSignatures() 产生 bob 的签名。

const transferSignatures = transferProof.constructSignatures(contractAddresses.zkAsset, [
    bob.aztecAccount
  ]);

最后一样利用 confidentialTransfer() 传送,但不一样的是这边的所有金额都是保密的了,虽然有一张价值为 80 元的票据已经传送给 Alice,但是金额也是保密的。

Alice 提款

Alice 将提款出 10 元,保留剩下的 70 元单据往后继续使用。

3_withdraw.js
async function withdraw() {
  console.log(chalk.green("Executing withdraw"));
  const withdrawValue = 10;
  const [, noteB] = transferNotes;
  const noteC = await note.create(alice.publicKey, splitValues[1] - withdrawValue);
  const withdrawProof = new JoinSplitProof(
    [noteB],
    [noteC],
    alice.address,
    withdrawValue,
    alice.address
  );
  const withdrawData = withdrawProof.encodeABI(contractAddresses.zkAsset);
  const withdrawSignatures = withdrawProof.constructSignatures(contractAddresses.zkAsset, [
    alice.aztecAccount
  ]);

  console.log("- executing withdraw: zkAssetSigner.confidentialTransfer()");
  await (await alice.signers.zkAsset.confidentialTransfer(
    withdrawData,
    withdrawSignatures,
    ethOptions
  )).wait();
}

重复之前的过程,但是透过给 JoinSplitProof 不一样的参数就可以达到这个功能。之前有提到 JoinSplitProof 的第四个参数 publicValue 如果负值是转换公开金额变成保密金额的单据,反之则是把保密金额的单据转换部份成公开金额。

所以这边只要给他正数的数值就可以把钱提出来。

const withdrawValue = 10;
const [, noteB] = transferNotes;
const noteC = await note.create(alice.publicKey, 70);
const withdrawProof = new JoinSplitProof(
  [noteB],
  [noteC],
  alice.address,
  withdrawValue,
  alice.address
);

此时到 etherscan 上面可以看到有 10 元的 ERC20 transfer ,到这边就完成了整个案例场景了。

完整的源码可以到 yurenju/aztec-demo 里面找到。

结论

AZTEC 除了保密转帐外,其实还有提供许多功能可以建构更复杂的 Dapp,本文提及的功能仅是其中一小部分。

如果你对AZTEC 有兴趣,可以接着参考官方的medium 所撰写的介绍文章知道更多细节,更棒的是还有 官方中文版 呦:-)

也感谢 AZTEC 的开发者回答了我们许多疑问,特别是 Joe Andrews 协助我们解答了开发上的许多疑问!

本文转载(翻译)自 Yuren Ju 的medium

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