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零知识证明 – Mixer（混币）应用分析

Star Li

交易隐私是零知识证明的一个应用方向。除了通过公链或者侧链实现交易的发送方/接收方以及金额隐藏外，Mixer，江湖人称“混币”，是在已有公链上实现交易的发送方的隐藏（匿名）。Mixer，就是将一些账户的资金“混”在一起，由公开的第三方代替发送方发起转账。这个第三方，被称为Mixer或者Relayer。本文分析以太坊上的三个Mixer项目的设计和性能。

MicroMix

MicroMix的源代码Github地址：https://github.com/weijiekoh/mixer。核心逻辑实现在contracts/solidity/Mixer.sol文件中。

MicroMix在Semaphore项目之上，提供混币服务，整个框架如下：

对Semaphore项目不熟悉的小伙伴，可以查看我的另外一篇文章：零知识证明 – Semaphore源代码导读。

整个MicroMix生态存在三种角色：发送方，接收方以及Relayer。使用MicroMix，需要两个步骤：1）Deposit（存钱）2）Mix（提钱）。

1.1 Deposit

在使用Mixer服务之前，发送方需要Deposit（存入）固定数量的代币（ETH或者ERC20代币）。Deposit同时要求发送方生成Semaphore对应的Identity。也就是说，每“混”一笔交易，发送方需要创建一个Identity。

1.2 Mix

Mix接口实现”提钱“的功能。Mix接口由“Relayer”（中继）调用，而不是由发送方调用。因为每个Identity在external nullfier不变的情况下，能且只能发送一次Signal，从而保证每笔存入的代币都能Mix。每个需要“提钱”的账户，提供Identity的证明给Relayer，同时在Signal中指定Relayer，接收方以及费用，从而Relayer可以发起交易，调用Mix接口转账给接收方。

也就是说，可以存在多个Relayer，Relayer通过提供mix的服务，“代替”发送方，向接收方发起转账，同时赚取服务费。每笔mix服务的服务费可以由发送方指定。

1.3 性能

MicroMix使用Semaphore构建了20层的Identity的Merkle树。Deposit大约消耗110w的GAS，Mix大约消耗77w的GAS费用（主要是zkSNARK的验证）。

Tornado Mixer

Tornado Mixer的源代码地址：https://github.com/peppersec/tornado-mixer。Tornado Mixer的核心逻辑在contracts/Mixer.sol文件中：一个是deposit函数，一个是withdraw函数。Tonado Mixer的框架如下图：

大体逻辑和MicroMix类似，发送方（Sender）首先向智能合约转账（固定金额），并在智能合约上创建commitment。接下来，发送方（Sender）将零知识证明发送给Mixer，Mixer确认证明后，通过withdraw函数向接收方转账。

2.1 Commitment Merkle树

所有的Commitment在智能合约中组织成一个Merkle树：

叶子节点的计算采用Pedersen Hash算法，中间节点采用MiMC Hash算法。整个树高为16。也就是说，Tornado Mixer一个智能合约，支持2^16次转账。

2.2 性能

Commitment Merkle树高为16。Deposit函数大约消耗88.8w的GAS，Withdraw函数大约消耗69.2w的GAS。证明电路的Contraint为22617。生成一次证明的时间大约为6.1秒。

Hopper

Hopper的源代码地址：https://github.com/argentlabs/hopper。Hopper的核心逻辑在solidity/contracts/Mixer.sol中：一个是commit函数，一个是withdraw函数。大体思路和Tornado Mixer一致，不再详细描述。相比较其他两个项目，Hopper有个明显的特色，实现了手机端的Mixer的功能。

3.1 Commitment Merkle树

从安全性角度考虑，叶子节点仍然采用sha256的计算。但是，为了降低证明电路的大小，中间节点采用MiMC Hash算法。Commitment Merkle树高为15。也就是说，Hopper一个智能合约，支持2^15=32768次转账。

3.2 性能

Commitment Merkle树高为15。GAS消耗和生成证明的时间没有实测。从理论上计算，GAS消耗会比Tornado Mixer略低一些，生成时间会比Tornado Mixer高。

总结：Mixer，混币，是零知识证明的一种应用，隐藏转账的发送方。目前，在以太坊上的Mixer实现的思路大体一致：发送方，首先转账固定金额给智能合约，同时提交的Commitment构造上一棵Merkle树。需要转账时，发送方链下将零知识证明的信息发送给Mixer或者Relayer。Mixer或者Relayer，将证明相关信息提交到智能合约。智能合约验证后转账给接收方。Mixer或者Relayer赚取一定的服务费。