Pepper项目入门指南：零知识证明系统实践教程

前言

Pepper项目是一个功能强大的零知识证明系统，它允许开发者将常规计算转换为可验证的计算过程。本教程将详细介绍如何使用Pepper系统构建和验证计算证明，特别适合对密码学和可验证计算感兴趣的开发者。

系统架构概述

Pepper系统采用前后端分离的设计架构：

1. 前端编译器：负责将C语言或SFDL编写的源代码转换为适合后端执行的约束系统
2. 后端执行引擎：包含证明者(Prover)和验证者(Verifier)的核心逻辑，以及驱动脚本

开发工作流程

典型的Pepper项目开发包含以下关键步骤：

1. 程序编写：在指定目录下创建C语言程序
2. 编译与设置：运行编译脚本生成约束系统，并执行协议设置阶段
3. 输入生成：为计算创建输入数据
4. 证明生成：由证明者执行计算并生成证明
5. 验证执行：由验证者验证证明的正确性

实战教程：矩阵乘法示例

我们以矩阵乘法(mm_pure_arith.c)为例，展示完整的工作流程：

1. 程序准备

首先修改矩阵大小参数以加速演示执行：

#define SIZE 10  // 原值为30，现改为10以提升执行速度

2. 编译与设置

执行以下命令完成编译和协议设置：

./pepper_compile_and_setup_V.sh mm_pure_arith mm_pure_arith.vkey mm_pure_arith.pkey
./pepper_compile_and_setup_P.sh mm_pure_arith

关键输出文件：

• 验证密钥：verification_material/mm_pure_arith.vkey
• 证明密钥：proving_material/mm_pure_arith.pkey

3. 输入生成

运行验证者程序生成输入数据：

bin/pepper_verifier_mm_pure_arith gen_input mm_pure_arith.inputs

4. 证明生成

执行证明者程序：

bin/pepper_prover_mm_pure_arith prove mm_pure_arith.pkey mm_pure_arith.inputs mm_pure_arith.outputs mm_pure_arith.proof

5. 验证执行

最后运行验证程序：

bin/pepper_verifier_mm_pure_arith verify mm_pure_arith.vkey mm_pure_arith.inputs mm_pure_arith.outputs mm_pure_arith.proof

核心概念详解

程序结构规范

Pepper项目中的C程序有特殊要求：

1. 必须包含compute()入口函数，接收struct In和struct Out参数
2. 必须明确定义输入输出结构体
3. 支持预处理器指令，搜索路径为../compiler/cstdinc

输入生成机制

输入生成有两种方式：

1. 使用内置的随机输入生成器
2. 自定义输入生成函数

输入在内存中以扁平化数组形式表示，对应C结构体的内存布局。

高级功能

私有输入支持

Pepper支持证明者使用对验证者不可见的私有输入，实现方式包括：

1. exo_compute函数：允许执行外部程序获取私有数据
2. 承诺原语(hashget和commitmentget)：提供更细粒度的隐私控制

Pantry扩展

使用Pantry的PutBlock和GetBlock原语时需注意：

• 必须包含<db.h>头文件
• 需要初始化块存储

Buffet支持

对于数据依赖循环的计算：

• 需要预先编译Buffet的LLVM库
• 使用[[buffet::fsm()]]编译器指令

已验证示例程序

Pepper项目包含多个经过验证的示例程序，包括但不限于：

• 矩阵乘法(mm_pure_arith)
• 聚类算法(pam_clustering)
• 字符串处理(kmpsearch, rle_decode)
• 排序算法(mergesort)
• 稀疏矩阵运算(sparse_matvec)

最佳实践建议

1. 开发初期使用小规模输入测试性能
2. 仔细设计输入输出结构体，确保内存布局符合预期
3. 对于复杂计算，考虑使用Buffet扩展处理数据依赖循环
4. 需要私有输入时，评估使用exo_compute还是承诺原语更合适

通过本教程，您应该已经掌握了Pepper项目的基本使用方法。这个强大的零知识证明系统为构建可验证计算应用提供了坚实的基础设施，适用于各种需要计算完整性和隐私保护的场景。