从Zcash和Aleo的技术出发，理解隐私交易的设计原理

引言

从论文的角度看，Aleo的可编程隐私设计所采用的的隐私设计和早期的Zcash的白皮书（zerocash）更为相近，类似的Key结构，类似的Note结构，类似的称呼（nf在zerocash里称为sn, serial number）。本文是基于Zcash最新的论文和Aleo的ZEXE做的比较，虽然在具体的细节上有所不同，比如Key结构，具体使用的密码学方法；但是在high-level的设计上大体相同。

除了前面所讲述的技术细节外，仍然存在一些其他的技术细节暂未涉及，比如delegate prover方案，零知识证明算法，递归/聚合方案等，有兴趣的同学可继续研究。

Zcash

1. 关于Zcash？

一个简短的视频了解Zcash，大概需要2分钟。

https://zcash.readthedocs.io/en/latest/rtd_pages/basics.html

特点：

• 匿名版的BTC，类UTXO模型

• 只能做支付场景，不具备可编程性

2. 主要概念

注意： Zcash经过多次协议升级，我们只关注最新版本。主要介绍Zcash里的各个核心概念。

2.1 Key components

图片来源

（Zcash protocol specification: section 3.1, page 12）

• sk：支出密钥，统一生成

• ask：支出授权密钥

• ak：支出验证密钥

• nk：无效衍生密匙

• rivk：Commit^ivk 随机性

• dk：分散密匙

• ivk：KA^Orchard 私人密钥 / 输入查看密匙

• ovk：输出查看密匙

• pkd：传输密匙

• 支出密钥：密钥

• 全面查看密匙：解密交易背景

• 输入查看密匙

• 输出查看密匙

• 屏蔽支付地址：每次都应不同

你可以在Zcash protocol specification: section 4.2.3, page 36了解这些Key的计算方式。

2.2 Note

note是 Zcash 协议中的基本单元，类似于BTC中的UTXO；在Zcash中，所有交易的输入和输出都是notes。当然，Zcash也支持非匿名的交易，这样和BTC的交易模式一样。

所以，要想更深入的了解Zcash，得先需要了解note的数据结构：

图片来源

（Zcash protocol specification: section 3.2, page 14）

• {d′pk_d}：note所有者的地址信息

• v：note对应的金额

• {ρ 'ψ}：计算nullifier的随机数

• rcm：用于计算 note commitment 的随机数

在Zcash的协议中，因为隐私的需求，note是不能公开的，因此，需要计算对应的commitment来代表这个note，计算方式如下：

图片来源

（Zcash protocol specification: section 3.2, page 15）

2.3 Action transfer

一笔交易里，可能包含多个action transfer，每个 action transfer 会花费老的note，生成新的note，其数据结构如下：

图片来源

（Zcash protocol specification: section 4.6, page 41）

• cv^net：用于action transfer的balance校验，通过binding signature实现，不包含在zk proof里

• rt^Orchard：上一个区块对应的状态跟，用于校验花费的note的有效性

• nf：花费的note的标识，用于防止双花

• rk：用来验证spender具有花费的note的权利，通过spendAuthSig签名验签的形式

• cm_x：生成新的note的承诺

• epk：临时公钥，用来解密新note得noteplaint信息

• C^enc，C^out：新note被加密后的密文

• enbaleSpends，enableOutputs：指示当前action transfer的类型

• π：zk proof

2.4 Action statement

公共输入是：

{rt^Orchard,cv^net,nf^old,rk,cm_x,enbaleSpends,

enableOutputs}

隐私输入是：

{path,pos,g^old_d,pk^old_d,v^old,ρ^old,φ^old,rcm^old,cm^old

α,ak^P,nk,rivk,

g^new_d,pk^new_d,v^new,φ^new,rcm^new,rcv}

证明statement为：

图片来源

（Zcash protocol specification: section 4.17.1, page 40）

• 花费的note的完整性，和noteplaint唯一绑定

• 花费的note的有效性，cm tree的存在性证明

• Value承诺的完整性，和rcv, old value, new value唯一绑定

• Nullifier的完整性，防止double spend，维护一个花费的note set

• 花费的note的合法性

• 地址的完整性

• 新note的完整性

• flag的合法性

2.5 交易结构和示例

2.5.1 交易结构

图片来源

（Zcash protocol specification: section 7.1, page 119）

整个交易结构包含四个部分：

• Public info (1 - 5)

• Transparent transactions info (6 - 9)

• Sapling transactions info (10 - 16)

• Orchard transaction info (17 - 25)

2.5.2 从 transparent 到 shield

Orchard协议里包含两种地址， transparent address(TA) 和 shield address(SA)。一般，为了执行隐私交易，需要先从TA往SA转账，此时对应的交易结构应为：

• Public info (1 - 5)

• Transparent transactions info (6 - 9)

ⅰ. tx_in_*：实际值

ⅱ. tx_out_*：默认值

• Sapling transactions info (10 - 16)

ⅰ. All：默认值

• Orchard transaction info (17 - 25)

ⅰ. All：实际值

2.5.3 从 shield 到 shield

Orchard协议里包含两种地址， transparent address(TA) 和 shield address(SA)。一般，为了执行隐私交易，需要先从TA往SA转账，此时对应的交易结构应为：

• Public info (1 - 5)

• Transparent transactions info (6 - 9)

ⅰ. All：默认值

• Sapling transactions info (10 - 16)

ⅰ. All：默认值

• Orchard transaction info (17 - 25)

ⅰ. All：实际值

2.5.4 从 shield 到 transparent

Orchard协议里包含两种地址，transparent address(TA) 和 shield address(SA)。一般，为了执行隐私交易，需要先从TA往SA转账，此时对应的交易结构应为：

• Public info (1 - 5)

• Transparent transactions info (6 - 9)

ⅰ. tx_in_*：默认值

ⅱ. tx_out_*：实际值

• Sapling transactions info (10 - 16)

ⅰ. All：默认值

• Orchard transaction info (17 - 25)

ⅰ. All：实际值

2.6 如何实现隐私？

• Unlinkable

生成的note用cm表示，花费的note用nf表示，nf和cm之间无任何联系，因此，任何人都无法通过这些信息去判断任何一个被生成的note是在哪一笔交易里被花费的。

• Private

ⅰ. Sender address：

交易信息里不包含sender地址且 spendAuthSig为一次性签名（每次都不一样，所以公钥不同，rk）。

ⅱ. Receiver address：

交易里不包含receiver的地址且新的Note plaint用的是recevier的公钥加密（接受者的隐私地址也是一次性的）。

ⅲ. Value：

用pedersen commitment形式隐藏Note，且通过bindsig来保证交易的balance属性。

Aleo

1. 和Zcash的异同

Zcash只能执行基于OUTX模型的隐私交易，不具备可编程性；因此，Aleo和Zcash最主要的区别是隐私可编程性；相同点是都支持隐私属性（交易隐私，不只包含资产类）。

2. Aleo VS Zcash

2.1 Unit

和Zcash的note不同，Aleo里的基本操作单元是record（BTC里的是UTXO），下面让我们看一下两者的主要区别：

图片来源

（Zcash protocol specification: section 3.2, page 14）

图片来源

（Zexe protocol specification: section 3.1, page 17）

虽然具体参数名称不相同，但是从功能角度来看，两者之间具有对应关系：

分别对应note拥有者的地址信息，承诺相关信息, nf/sn相关信息，value相关信息。

所以，两者结构基本类似；主要的区别在于record里的 birth predicate，death predicate。这是两个Boolean类型的函数，代表着，当一个record在birth(generate)和death(spend)阶段，分别需要满足的条件，这一块是支持user-defined，因此具有可编程性。

2.2 交易结构

图片来源

（Zexe protocol specification: section 3.1, page 17）

和Zcash(2.5.1)的交易主要结构相比，仍然相似：

▪ 消费的record对应的序列号sn，在Zcash里用nf表示，都是具有全局唯一性。

▪ 新生成的record对应的承诺。

▪ 新生成record的plaint，包括拥有者信息，对应的birth/death predicate等。

2.3 Prover statement

图片来源

（Zexe protocol specification: section 2.4, page 13）

需要证明：

▪ Old record的有效性

▪ Old record的合法性（具备花费record的权利）

▪ New record的有效性

▪ Birth/Death predicate的有效性（类似于Zcash里的Balance校验）

3. 其他

3.1 为什么都是utox-based，不是account-based?

Remark2.3（Zexe protocol specification: section 2.3, page 11）

参考

1. (Zcash)Zcash protocol specification（文中前6张图片来源）：

https://zips.z.cash/protocol/protocol.pdf

2. (Aleo)Zexe protocol specification（Figure4/5/6，Remark2.3）：

https://eprint.iacr.org/2018/962.pdf

3. 协议升级：https://z.cash/upgrade/

4. zerocash：https://eprint.iacr.org/2014/349.pdf

关于我们

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