Circom: 효율적인 제로 지식 증명 회로 설계를 위한 DSL

Circom 소개

Circom(Circuit Compiler)는 제로 지식 증명(Zero-Knowledge Proof, ZKP) 시스템에서 사용할 산술 회로(arithmetic circuits)를 설계하기 위한 도메인 특화 언어(Domain-Specific Language, DSL)입니다. 이더리움 생태계의 주요 연구 기관인 iden3 팀이 개발했으며, 특히 zk-SNARKs 프로토콜과 호환되는 회로 작성에 최적화되어 있습니다.

Circom의 핵심 특징

1. 직관적인 회로 설계 문법

   template Multiplier() {
     signal input a;
     signal input b;
     signal output c;
     
     c <== a * b;
   }

   위 예제는 간단한 곱셈 회로를 보여줍니다. signal 키워드로 입력/출력을 선언하고 <== 연산자로 제약 조건을 설정합니다.

2. 계층적 회로 구성

   component main = Multiplier();

   템플릿을 컴포넌트로 인스턴스화하여 복잡한 회로를 모듈식으로 구성할 수 있습니다.

3. R1CS(Rank-1 Constraint System) 자동 생성
   Circom 컴파일러는 작성한 코드를 R1CS 형식으로 변환하여 zk-SNARKs 프레임워크(예: SnarkJS)와의 호환성을 보장합니다.

실제 적용 사례: 간단한 투표 시스템

pragma circom 2.0.0;

template VotingSystem() {
    signal input vote; // 0 또는 1
    signal input salt; // 랜덤 값 (프라이버시 보호)
    signal output commitment;
    
    // 투표가 유효한지 확인 (0 또는 1)
    vote * (vote - 1) === 0;
    
    // 커밋트 생성 (해시 함수 사용)
    commitment <== vote + 2*salt;
}

component main {public [vote]} = VotingSystem();

이 예제에서는:
1. 유권자가 0 또는 1로 투표
2. 무작위 salt로 프라이버시 보장
3. 투표 유효성 검증
4. 해시 기반 커밋트 생성

Circom 2.0의 주요 개선 사항

1. 향상된 보안 기능: 신호 할당 시 암시적 제약 조건 제거
2. 개선된 컴포넌트 시스템: 더 명확한 인터페이스 정의
3. 새로운 연산자 도입: <-- (할당)와 === (제약) 분리

성능 최적화 팁

1. 비선형 연산 최소화: 곱셈/나눗셈은 선형 연산보다 계산 비용이 큽니다.
2. 컴포넌트 재사용: 반복되는 로직은 템플릿으로 분리합니다.
3. 신호 그룹화: 배열을 활용해 관련 신호를 묶어 관리합니다.

template RangeProof(n) {
    signal input in;
    signal input bound;
    
    // in이 0 <= in < bound인지 확인
    component lt = LessThan(n);
    lt.in[0] <== in;
    lt.in[1] <== bound;
    lt.out === 1;
}

Circom 생태계

1. SnarkJS: Circom으로 생성한 회로에 대한 zk-SNARKs 증명 생성/검증
2. circomlib: 다양한 기본 회로 라이브러리
3. websnark: 웹 브라우저에서의 효율적인 증명 생성

마치며

Circom은 복잡한 제로 지식 증명 시스템을 보다 접근하기 쉽게 만들어주는 강력한 도구입니다. 블록체인, 투표 시스템, 프라이버시 보호가 필요한 모든 애플리케이션에서 활용될 수 있으며, 점점 더 많은 프로젝트에서 Circom을 표준 회로 작성 언어로 채택하고 있습니다.

초보자는 Circom 공식 문서에서 시작하고, circomlib의 예제 코드를 참고하는 것이 좋습니다. 제로 지식 증명의 세계에서 Circom은 개발자들에게 강력하면서도 우아한 솔루션을 제공합니다.