Rust零知识证明库halo2_gadgets使用指南

概述

halo2_gadgets是Halo2零知识证明系统的一个扩展库，提供了丰富的预构建电路组件和实用工具函数。它为开发者提供了构建复杂零知识证明电路所需的基本构建块，简化了开发过程。

主要功能

1. 提供常见密码学原语的电路实现
2. 包含各种基础电路组件
3. 提供实用工具函数
4. 支持多种哈希函数和签名方案的电路实现

安装

在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
halo2_proofs = "0.3"
halo2_gadgets = { version = "0.3", features = ["full"] }

核心组件和使用示例

SHA-256哈希电路

use halo2_gadgets::sha256::{Sha256, BlockWord, Sha256Config};
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, SimpleFloorPlanner, Value},
    plonk::{Circuit, ConstraintSystem, Error},
};
use halo2curves::pasta::Fp;

// 定义一个简单的电路结构体
struct MyCircuit;

impl Circuit<Fp> for MyCircuit {
    type Config = Sha256Config;
    type FloorPlanner = SimpleFloorPlanner;

    // 创建一个没有见证值的电路实例
    fn without_witnesses(&self) -> Self {
        Self
    }

    // 配置电路约束
    fn configure(meta: &mut ConstraintSystem<Fp>) -> Self::Config {
        Sha256::configure(meta)
    }

    // 合成电路逻辑
    fn synthesize(
        &self,
        config: Self::Config,
        mut layouter: impl Layouter<Fp>,
    ) -> Result<(), Error> {
        // 对16个32位字(初始全为0)进行SHA-256哈希计算
        Sha256::digest(
            config,
            layouter.namespace(|| "SHA-256"),
            [BlockWord::from(Value::known(0u32)); 16],
        )?;
        Ok(())
    }
}

椭圆曲线操作

use halo2_gadgets::ecc::{
    EccConfig, FixedPoints, NonIdentityPoint, ScalarFixed,
};
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, SimpleFloorPlanner, Value},
    plonk::{Circuit, ConstraintSystem, Error},
};
use halo2curves::pasta::{pallas, Fp};

// 椭圆曲线操作电路
struct MyCircuit;

impl Circuit<Fp> for MyCircuit {
    type Config = EccConfig;
    type FloorPlanner = SimpleFloorPlanner;

    fn without_witnesses(&self) -> Self {
        Self
    }

    // 配置椭圆曲线电路
    fn configure(meta: &mut ConstraintSystem<Fp>) -> Self::Config {
        EccConfig::configure(meta, FixedPoints::Pallas)
    }

    fn synthesize(
        &self,
        config: Self::Config,
        mut layouter: impl Layouter<Fp>,
    ) -> Result<(), Error> {
        // 定义标量值为2
        let scalar = ScalarFixed::new(
            layouter.namespace(|| "scalar"),
            config,
            Value::known(pallas::Scalar::from(2u64)),
        )?;

        // 定义生成元点
        let point = NonIdentityPoint::new(
            layouter.namespace(|| "point"),
            config,
            Value::known(pallas::Point::generator()),
        )?;

        // 计算标量乘法: point * 2
        let _result = point.mul(
            layouter.namespace(|| "scalar multiplication"),
            config,
            &scalar,
        )?;

        Ok(())
    }
}

范围证明

use halo2_gadgets::{
    range::RangeConfig,
    utilities::{bool_check, lookup_range_check::LookupRangeCheckConfig},
};
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, SimpleFloorPlanner, Value},
    plonk::{Circuit, ConstraintSystem, Error},
};
use halo2curves::pasta::Fp;

// 范围证明电路
struct MyCircuit {
    value: Value<u64>,
}

impl Circuit<Fp> for MyCircuit {
    type Config = RangeConfig<Fp, 10>;
    type FloorPlanner = SimpleFloorPlanner;

    fn without_witnesses(&self) -> Self {
        Self {
            value: Value::unknown(),
        }
    }

    // 配置范围检查电路
    fn configure(meta: &mut ConstraintSystem<Fp>) -> Self::Config {
        let lookup_config = LookupRangeCheckConfig::configure(meta);
        RangeConfig::configure(meta, lookup_config)
    }

    fn synthesize(
        &self,
        config: Self::Config,
        mut layouter: impl Layouter<Fp>,
    ) -> Result<(), Error> {
        // 加载查找表
        config.load_lookup_table(&mut layouter)?;

        // 执行范围检查(10位)
        let value = config.range_check(
            layouter.namespace(|| "Range check"),
            self.value,
            10,
        )?;

        Ok(())
    }
}

实用工具函数

布尔值检查

use halo2_gadgets::utilities::bool_check;
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, Value},
    plonk::Error,
};
use halo2curves::pasta::Fp;

// 检查一个值是否为布尔值(0或1)
fn check_boolean(
    layouter: &mut impl Layouter<Fp>,
    value: Value<Fp>,
) -> Result<(), Error> {
    bool_check(layouter.namespace(|| "bool check"), value)
}

数值分解

use halo2_gadgets::utilities::decompose_running_sum;
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, Value},
    plonk::{Assigned, Error},
};
use halo2curves::pasta::Fp;

// 将数值分解为指定位数的二进制表示
fn decompose_value(
    layouter: &mut impl Layouter<Fp>,
    value: Value<u64>,
    num_bits: usize,
) -> Result<Vec<Assigned<Fp>>, Error> {
    decompose_running_sum(
        layouter.namespace(|| "decompose"),
        value.map(|v| Fp::from(v)),
        num_bits,
    )
}

完整示例demo

下面是一个完整的示例，展示如何使用halo2_gadgets构建一个简单的电路，证明你知道某个值的SHA-256哈希：

use halo2_gadgets::sha256::{Sha256, BlockWord, Sha256Config};
use halo2_proofs::{
    circuit::{Layouter, SimpleFloorPlanner, Value},
    dev::MockProver,
    plonk::{Circuit, ConstraintSystem, Error},
};
use halo2curves::pasta::Fp;
use sha2::{Digest, Sha256 as NativeSha256};

// 定义电路结构体
struct Sha256Circuit {
    // 输入数据(16个32位字)
    input: [Value<u32>; 16],
    // 期望的哈希结果(256位)
    expected_hash: Value<[u8; 32]>,
}

impl Circuit<Fp> for Sha256Circuit {
    type Config = Sha256Config;
    type FloorPlanner = SimpleFloorPlanner;

    fn without_witnesses(&self) -> Self {
        Self {
            input: [Value::unknown(); 16],
            expected_hash: Value::unknown(),
        }
    }

    fn configure(meta: &mut ConstraintSystem<Fp>) -> Self::Config {
        Sha256::configure(meta)
    }

    fn synthesize(
        &self,
        config: Self::Config,
        mut layouter: impl Layouter<Fp>,
    ) -> Result<(), Error> {
        // 将输入数据转换为BlockWord格式
        let input_words = self.input.map(|v| BlockWord::from(v));
        
        // 计算SHA-256哈希
        let computed_hash = Sha256::digest(
            config,
            layouter.namespace(|| "SHA-256"),
            input_words,
        )?;

        // 验证计算出的哈希是否与预期匹配
        if let (Value::known(computed), Value::known(expected)) = 
            (computed_hash.value(), self.expected_hash) 
        {
            assert_eq!(computed, expected);
        }

        Ok(())
    }
}

fn main() -> Result<(), Error> {
    // 准备测试数据
    let data = b"hello halo2";
    let mut hasher = NativeSha256::new();
    hasher.update(data);
    let result = hasher.finalize();
    
    // 将输入数据填充为16个32位字(实际实现中需要完整处理填充规则)
    let mut input = [0u32; 16];
    input[0] = u32::from_be_bytes([data[0], data[1], data[2], data[3]]);
    
    // 创建电路实例
    let circuit = Sha256Circuit {
        input: input.map(|v| Value::known(v)),
        expected_hash: Value::known(result.into()),
    };
    
    // 使用MockProver验证电路
    let prover = MockProver::run(20, &circuit, vec![])?;
    prover.assert_satisfied();
    
    println!("Circuit verified successfully!");
    Ok(())
}

最佳实践

1. 模块化设计：将复杂电路分解为多个小电路，使用halo2_gadgets提供的组件组合
2. 合理配置查找表：对于频繁使用的操作，配置查找表提高效率
3. 资源管理：注意电路规模和约束数量，优化布局
4. 测试验证：使用halo2_proofs的mock prover验证电路正确性

注意事项

1. halo2_gadgets仍在活跃开发中，API可能会有变化
2. 使用前应充分理解零知识证明和电路约束系统的基本概念
3. 性能优化需要针对具体应用场景进行调整
4. 生产环境使用前应进行充分的安全审计

通过halo2_gadgets，开发者可以快速构建复杂的零知识证明应用，而无需从零开始实现基础密码学原语。