Rust密码学库miracl_core_bls12381使用指南

介绍

miracl_core_bls12381是一个专门为BLS12-381曲线优化的Rust密码学库，提供了高效的椭圆曲线加密和配对运算功能。BLS12-381曲线是一种广泛用于零知识证明、聚合签名和区块链技术中的椭圆曲线。

该库主要特点：

• 针对BLS12-381曲线的高效实现
• 支持椭圆曲线基本运算
• 提供配对运算功能
• 适用于需要高级密码学原语的场景

使用方法

添加依赖

首先在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
miracl_core_bls12381 = "0.1"  # 请使用最新版本号

基本示例

1. 初始化曲线参数

use miracl_core_bls12381::bls12381::big::BIG;
use miracl_core_bls12381::bls12381::ecp::ECP;
use miracl_core_bls12381::bls12381::ecp2::ECP2;
use miracl_core_bls12381::bls12381::fp12::FP12;
use miracl_core_bls12381::bls12381::pair;

fn main() {
    // 初始化曲线上的点
    let g1 = ECP::generator();
    let g2 = ECP2::generator();
    
    println!("G1 generator: {:?}", g1);
    println!("G2 generator: {:?}", g2);
}

2. 标量乘法和点加法

use miracl_core_bls12381::bls12381::big::BIG;
use miracl_core_bls12381::bls12381::ecp::ECP;

fn scalar_multiplication() {
    let g = ECP::generator();
    let mut r = BIG::new_ints(&[1, 2, 3, 4]); // 随机标量
    
    // 标量乘法
    let p = g.mul(&r);
    println!("Scalar multiplication result: {:?}", p);
    
    // 点加法
    let q = ECP::new();
    q.inf(); // 无穷远点(单位元)
    let sum = p.add(&q);
    println!("Point addition result: {:?}", sum);
}

3. 配对运算

use miracl_core_bls12381::bls12381::{ecp::ECP, ecp2::ECP2, pair};

fn pairing_example() {
    let g1 = ECP::generator();
    let g2 = ECP2::generator();
    
    // 创建随机标量
    let a = BIG::new_ints(&[1, 2, 3, 4]);
    let b = BIG::new_ints(&[5, 6, 7, 8]);
    
    // 计算a*G1和b*G2
    let a_g1 = g1.mul(&a);
    let b_g2 = g2.mul(&b);
    
    // 计算配对e(a*G1, b*G2)
    let pairing_result = pair::ate(&b_g2, &a_g1);
    let final_result = pair::fexp(&pairing_result);
    
    println!("Pairing result: {:?}", final_result);
}

4. BLS签名示例

use miracl_core_bls12381::bls12381::{big::BIG, ecp::ECP, ecp2::ECP2, pair};
use sha2::{Sha256, Digest};

fn bls_signature() {
    // 生成私钥
    let sk = BIG::new_ints(&[1, 2, 3, 4]); // 实际应用中应使用随机数
    
    // 计算公钥 (在G2群)
    let g2 = ECP2::generator();
    let pk = g2.mul(&sk);
    
    // 要签名的消息
    let message = b"Hello, BLS signature!";
    
    // 哈希消息到G1群
    let mut hasher = Sha256::new();
    hasher.update(message);
    let hash_result = hasher.finalize();
    let mut hash_big = BIG::from_bytes(&hash_result);
    hash_big.modify(&BIG::new_ints(&[1, 0, 0, 0])); // 简化处理
    
    let h = ECP::generator().mul(&hash_big);
    
    // 计算签名 (在G1群)
    let signature = h.mul(&sk);
    
    // 验证签名
    let g1 = ECP::generator();
    let lhs = pair::ate(&g2, &signature);
    let lhs_final = pair::fexp(&lhs);
    
    let rhs = pair::ate(&pk, &h);
    let rhs_final = pair::fexp(&rhs);
    
    if lhs_final.equals(&rhs_final) {
        println!("BLS signature is valid!");
    } else {
        println!("BLS signature is invalid!");
    }
}

完整示例代码

下面是一个完整的示例，展示了如何使用miracl_core_bls12381库进行密钥生成、签名和验证：

use miracl_core_bls12381::bls12381::{big::BIG, ecp::ECP, ecp2::ECP2, pair};
use sha2::{Sha256, Digest};
use rand::Rng;

fn main() {
    // 1. 密钥生成
    let (sk, pk) = generate_key_pair();
    println!("私钥生成成功");
    println!("公钥: {:?}", pk);

    // 2. 签名消息
    let message = b"This is a test message for BLS signature";
    let signature = sign_message(&sk, message);
    println!("消息签名成功");
    println!("签名: {:?}", signature);

    // 3. 验证签名
    let is_valid = verify_signature(&pk, message, &signature);
    if is_valid {
        println!("签名验证成功");
    } else {
        println!("签名验证失败");
    }
}

// 生成密钥对
fn generate_key_pair() -> (BIG, ECP2) {
    // 使用随机数生成私钥
    let mut rng = rand::thread_rng();
    let mut sk_bytes = [0u8; 32];
    rng.fill(&mut sk_bytes);
    
    let sk = BIG::from_bytes(&sk_bytes);
    let g2 = ECP2::generator();
    let pk = g2.mul(&sk); // 公钥 = sk * G2
    
    (sk, pk)
}

// 消息签名
fn sign_message(sk: &BIG, message: &[u8]) -> ECP {
    // 哈希消息到G1群
    let h = hash_to_g1(message);
    
    // 签名 = sk * H(m)
    h.mul(sk)
}

// 验证签名
fn verify_signature(pk: &ECP2, message: &[u8], signature: &ECP) -> bool {
    let g2 = ECP2::generator();
    let h = hash_to_g1(message);
    
    // 计算 e(g2, σ)
    let lhs = pair::ate(&g2, signature);
    let lhs_final = pair::fexp(&lhs);
    
    // 计算 e(pk, H(m))
    let rhs = pair::ate(pk, &h);
    let rhs_final = pair::fexp(&rhs);
    
    lhs_final.equals(&rhs_final)
}

// 哈希消息到G1群
fn hash_to_g1(message: &[u8]) -> ECP {
    let mut hasher = Sha256::new();
    hasher.update(message);
    let hash_result = hasher.finalize();
    
    // 将哈希结果转换为BIG整数
    let mut hash_big = BIG::from_bytes(&hash_result);
    
    // 简化处理，实际应用可能需要更复杂的哈希到曲线算法
    hash_big.modify(&BIG::new_ints(&[1, 0, 0, 0]));
    
    // 返回H(m) = hash * G1
    ECP::generator().mul(&hash_big)
}

注意事项

1. 实际应用中应使用安全的随机数生成器生成私钥
2. 生产环境应考虑使用更高级的包装库，如bls_signatures
3. 性能关键的应用可能需要优化配对运算的使用
4. 注意内存安全，特别是在处理大整数和曲线点时

高级功能

该库还支持：

• 多配对运算优化
• 曲线点的压缩和解压缩
• 自定义哈希到曲线算法
• 各种群运算优化

如需更高级的功能，建议查阅库的完整文档和源代码。