CTI:基于 2-of-2 多方安全计算的 MACI 匿名化方案_ACT

这篇文章将展示基于2-of-2MPC技术的MACI匿名化方案的具体实现。本文核心内容主要分为三个部分：从任意算法到逻辑电路的实现；从逻辑电路到混淆电路的实现；利用不经意传输实现多方安全计算。最后，我们总结基于多方安全计算的匿名化方案。

感谢FelixCai对MACI和隐私投票中多个问题的讨论。

这篇文章将展示基于2-of-2MPC技术的MACI匿名化方案的具体实现。本文核心内容主要分为三个部分：从任意算法到逻辑电路的实现；从逻辑电路到混淆电路的实现；利用不经意传输实现多方安全计算。最后，我们总结基于多方安全计算的匿名化方案。

算法

在MACI系统中，操作员Operator管理着一个数组，这个数组记为deactivate，其元素个数与registry数组中的元素个数相同。数组中每个位置的编号代表了key值，而每个位置存储着对应的公钥。为了更好地理解deactivate数组，可参考如下例子：在deactivate数组中，假设registry中的用户1发起了deactivatekey操作，操作员O收到该操作请求后，如果操作的合法性被O承认，O在deactivate数组中的第一个位置填入registry数组中第一个位置所包含的value值。另外，假设用户O没有发起deactivatekey操作，那么deactivate数组中的第二个元素的值为0。这样一来,deactivate数组的元素个数和registry数组中的元素个数相同就可以理解了。

现在，为了实现MACI系统对管理员的匿名性，需要设计一个2-of-2的MPC方案来实现以下两个性质:

逻辑电路的生成原理

ZigZag 开始搭建基于 Mimblewimble 的 ZK rollup 支付系统:3月16日消息，ZigZag 开始搭建基于 Mimblewimble 的 ZK rollup 支付系统 ZigZag InvisibL3。该项目由 0xonurinanc 带领，旨在突破零识技术的极限，包括将现有的隐私技术扩展到更广泛的应用程序并构建 L3， 使现有的 ZK 支持系统更强大。

据悉，官方团队表示，ZigZag InvisibL3 的最终目标是成为最好的隐私 DEX。[2022/3/16 13:59:25]

为了简单起见，暂且假设一个公钥由二位二进制数来表示。那么，现在就需要用用户A的输入公钥，对比deactivate数组中的二把公钥。因此，需要对比二次。

逻辑电路由逻辑门组成，逻辑电路中的逻辑门被分为?层，比如上面的电路是两层。逻辑门第一层需要用户来添加输入,其他层是中间节点，最后是根节点。对于用户输入的逻辑门，有两个输入和一个输出。其中一个输入由用户A完成。另外一个由O完成。这三个逻辑门组成了一个子逻辑电路。这个子逻辑电路负责一次公钥的对比。

逻辑电路的生成工具

在现实中，为了让一个固定的算法转换成逻辑电路，需要用到一些工具，如

1.VerilogHDL和VHDL：这两种硬件描述语言被广泛用于数字电路的设计和仿真，可以使用它们来描述算法的行为，并将其转换为逻辑电路的形式。这些语言都支持从高级语言转换为硬件描述语言的形式。使用Verilog或VHDL需要一定的硬件设计和编程经验。

基于 Solana 的开发生态系统 SolRazr 完成 150 万美元的融资:金色财经报道，Solana为中心的一站式生态系统SolRazr该团队总共从一批风险资本家那里筹集了150万美元。Moonrock Capital、Ascensive Assets、Morningstar Ventures、Genesis Block Ventures、Divergence、Genblock Capital、CMS Holdings、PANONY和Skynet Trading等公司参与了此次融资。[2021/9/7 23:07:25]

2.XilinxVivadoDesignSuite：这是一款商业软件，用于FPGA的设计和开发。它提供了一个综合工具，可以将高级语言或RTL代码转换为逻辑电路的形式。它支持多种编程语言，包括C、C++、SystemC、Verilog和VHDL等。

3.Yosys：这是一款开源的EDA工具，用于数字电路的设计和仿真。它支持从Verilog和VHDL等硬件描述语言转换为逻辑电路的形式。它也支持从高级语言转换为RTL代码，然后转换为逻辑电路的形式。

混淆电路

逻辑门的加密

回到现在的例子中，因为我们的公钥在deactivate数组中都是有序号的，且数组deactivate中的最大元素个数是有上限的。因此，假设最大元素个数是N，那么，就需要构建N个子电路，然后合成一个最终的逻辑电路。

由于逻辑电路在每一个epoch中是固定的，那么，所有用户都可以使用这个早已经生成好的，并存储在区块链中的逻辑电路。在本文例子中，由于deactivate数组中只有两个元素，因此子电路只有两个。

注：在一个epoch中，registry数组中元素个数是固定的，因此用户的输入和数组中的元素的对比次数是固定的，因此逻辑子电路的个数是确定的，且逻辑子电路是事先可以确定好的，因此整个逻辑电路是唯一确定的。

接下来，就是将逻辑电路的每一个输入进行加密，然后将每一个逻辑门进行混淆。

先考虑加密。加密这个动作是由用户A完成的。他对每一个输入和输出的0和1用加密值表示。注意，最终的根逻辑门的输出不需要进行加密，在本案例中，就是0，和1。如图所示：

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逻辑电路中的每一条引线的0和1都用加密值代替。同时，每一个逻辑电路都有一个固定的编号。例如，编号1、2、5就构成了一个子电路1。

基于此，将逻辑电路的每一个逻辑门的输入和输出进行加密后，在Operator的视角里，对于加密后的逻辑电路，他就不知道每个逻辑门的输入数字对应的明文。

输入加密的方法

在混淆电路中，为每个输入值生成两个随机key的过程通常是使用伪随机数生成器来实现的。常用的生成随机key的实现和库有很多，例如OpenSSL、Crypto++、libsodium等。

输出加密的方法

基于伪随机函数PRF的方法是Yao的混淆电路中实现对输出二进制数0和1的加密的主要方法之一。具体来说，这种方法可以实现对每个逻辑门的输出进行加密，保证了数据的机密性和可靠性。

在基于PRF的方法中，每个逻辑门的输出都被混淆成为一组包含多个label的二元组，其中每个label都是一个随机的01字符串。在生成每个label时，可以使用伪随机函数来实现。具体来说，可以使用一个密钥和输入值作为PRF的输入，然后得到一个随机的01字符串作为label。由于PRF是一种可以模拟真正随机数的算法，因此生成的label具有高度的随机性和不可预测性，保证了数据的机密性和安全性。

在混淆输出时，可以将每个逻辑门的输出表示为一个包含两个label的二元组。其中，当输入为0时，使用label0作为输出；当输入为1时，使用label1作为输出。在将逻辑门的输出发送给下一个参与方时，只发送一个包含正确label的二元组，保证了数据的机密性和保密性。常见的PRF包括HMAC、SHA、AES等。

需要注意的是，对逻辑门的输出采用上述方法的目的是为了便于不经意传输的实现。

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这里其实就可以推导不经意传输过程了。比如，用户A将这四个输出——

用户A输入的生成

现在，我们继续假设，用户A公钥的编号是1，数值是10，而数组中的二把公钥的数值分别是11,10。也就是说用户A的公钥在数组中。

接着，用户将自己的输入，分别输入到两个子电路中。用户在第一个逻辑子电路中进行输入。他的输入是：在编号为1的逻辑门输入2674；在编号为2的逻辑门输入8798。用户在第二个逻辑子电路中进行输入。那么，他的输入是：在编号为3的逻辑门中输入9809；在编号为4的逻辑门中输入3453。

电路混淆

接下来的步骤就是将逻辑电路进行混淆。

这样一来，根据这个表格的排序可能性，O想通过表三还原成真正的表一，会碰到4种可能性。那么，如果在一次证明中涉及到N个逻辑门，每个逻辑门用户A都做上述操作，那么就有4N种可能性。这样，通过排序任意颠倒，使得O很难推断出每个数字到底代表0还是1。

第一次通信

不经意传输

此时，我们需要回顾两个一定要保证的性质：

上述三个步骤，满足了第二个性质，但是没有满足第一个性质，也就是说，O在解密了其中一个加密值后，得到了明文1，但是，也暴露了另一个明文0。这样一来，混淆逻辑门表就暴露了很多信息给O，这样让O有机会破解A的秘密，从而使得性质1无效。

从对一个逻辑门的OT通信可以看出整个OT通信的全貌，即每个逻辑门的OT通信都是如此，且在一次OT通信过程中全部完成。这样，O就能得到所有叶子逻辑门的输出，这样他就能进一步得到分支逻辑门的输出，从而最终得到根逻辑门的输出。

方案改进

上述方案中，需要且可以改进的地方有很多。例如，改进算法设计，降低算法的复杂度；改进逻辑电路的设计，让逻辑电路变得更加简单；增加方案的安全性，加大破解方案的计算复杂度；让交互变成非交互。

算法和逻辑电路的改进

但是，如果采用MerklePatriciaTree的数据结构的话，对比的次数要少很多。那么，一旦算法计算复杂度下降了，逻辑电路的设计也就要简单很多。

逻辑电路的设计也有化简的可能性。

A的每个输入都不同，O也是。实际上，可以进行化简。变成如下图所示。

这样的化简可以让输入变少。

增加安全性

如果O想输入的是0，那么他得到的结果必然是0，也就是说，他天然知道输出0的加密值，那么他就天然知道了1的加密值。同时，由于A的输入已经是确定的，那么他可以根据A的输入值，和1的输出的加密值所在的行，去分析，如果1的输出的加密值所在的行，不包含A的输入加密值，那么A的输入就是0，否则就是1。

为了解决这类问题，我们需要对输出全部进行加密。比如使用该种方法：上表中的四个输出值0、0、0、1分别加密为——

——这样一来，输出的四个值分别对应为四个不同的密文。因此，在此环境下，无法通过上述推断来反推出A的输入值是0还是1。但是，这种方法使得输出加密值的个数从二变成了四。通信复杂度会增大。

此外，非交互式的不经意传输协议也值得研究。

总结

上述方法首先不考虑需要实现MACI匿名化的两个目标，即在明文下设计一个算法，让O能够正确判断是否执行用户A的请求。基于此，再将所设计的算法转化成逻辑电路。再将逻辑电路转化成混淆电路。需要注意的是，逻辑电路在每一个区块链的epoch中是固定的且能够从区块链中直接获取的。用户A获取该epoch的逻辑电路，利用相应工具将逻辑电路转化成混淆电路。同时，用户A将每一个混淆电路的输入进行加密，并将加密好的信息发送给O。此时，O由于不知道加密后的输入对应的明文是什么，O也就不知道用户A具体的输入是什么了，这样就实现了匿名化的第一个性质。

进而，使用不经意传输是实现第二个目的的方法。通过不经意传输，用户A并不知道O具体采用了哪些加密值进行进一步的输入，因此用户A无法推断出deactivate数组中的其他元素信息。同时，由于O通过不经意传输获得了足够的有效输入，因此O将这些有效输入输入到被加密的混淆电路中，最终能够得到正确的输出，该输出和明文下执行第一节的算法所得到的输出是相同的。因此，O就能够根据输出来判断是否要执行用户A的请求。

最终，O将上述所有操作利用零知识证明生成操作的proof。区块链对proof进行验证，验证通过后，区块链将根据deactivate数组中的元素和registry数组中的元素来更新registry数组并结束epoch和开启下一个epoch。

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