MEMO:關于在ZKEVM中移除內存限制的一些想法-ODAILY

ZKEVM是一個具有可編程性，以ZK技術為基礎的虛擬機，它可以為虛擬機執行的所有操作生成一個零知識證明，用來證明虛擬機執行操作的正確性。有關ZKEVM的幾種實現方案介紹及優劣對比，可以參考V神的文章：ThedifferenttypesofZK-EVMs；如果你想了解更多的設計細節，你也可以閱讀PSE的ZKEVM方案(native-level)：privacy-scaling-explorations/zkevm-specsPolygon的ZKEVM設計(bytecode-level)：PolygonzkEVMDocumentation；Sin7y的ZKEVM設計(language-level)：OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM。\n\n無論是哪種方案，都需要用zk去約束VM的所有的行為，這些行為包括：

灰度：預計法院將于2023年秋季做出關于GBTC的裁決:7月31日消息，灰度（Grayscale）官方表示，我們收到的建議是，預計法院將于 2023 年秋季做出關于 GBTC 的裁決，這一結果與比特幣現貨交易平臺交易基金（ETF）的申請相關，將影響數百萬投資者和發行者。[2023/8/1 16:10:07]

?執行合約計算邏輯

?執行內存訪問

?執行哈希計算

?執行世界狀態更新

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眾所周知，zk在計算壓縮領域，具有極大的應用的前景；無論原始的計算多么復雜，其驗證過程都十分高效，這是所有zk算法的基本技能。因此，對于VM執行過程中的計算部分，zk可以很好的發揮作用；而在VM執行的過程中，除了計算本身外，還存在一些內存訪問操作，我們需要把一些數據提前放在內存里，然后在執行計算的時候取出來。

麻省理工學院數字貨幣計劃主任：比特幣加速了關于數字貨幣的討論:8月23日消息，麻省理工學院（MIT）數字貨幣計劃主任Neha Narula表示，完全數字貨幣的想法并不新鮮，但是比特幣為這一長期討論增添了額外的動力。她補充說，“我們有獨特的機會為數字環境設計創造類似現金的東西。比特幣拉開了序幕，數字貨幣和電子貨幣的想法已經流傳了一段時間，但比特幣加速了這種討論。”（The Block）[2020/8/23]

而由于大部分的VM都是讀寫內存，因此不得不約束這些內存訪問操作的正確性；對于內存訪問的約束本身并不復雜，但是由于內存訪問的次數很高，所以導致多項式的階數很高，使得內存相關的約束證明耗時比較可觀。

在ZK(E)VM的方案中，我們更應該把zk主要應用在對于計算本身的證明，對于EVM的其他行為，我們可以在VM層面去優化，以減少zk約束的規模。

公告 | 關于BCH硬分叉可能引起市場價格劇烈波動的風險提示公告:由于Bitcoin Cash（BCH）將于新加坡時間2018年11月16日00:40發生硬分叉。火幣全球站特提醒廣大用戶，BCH硬分叉可能引起市場價格劇烈波動，請注意交易風險，理性決策，審慎投資。[2018/11/15]

Memory的設計

以EVM為例，EVM的內存是一塊很簡單的字節數組，可以存儲32字節或者1字節的數據，也可以讀取32字節的數據。

圖片來源：ethereum_evm_illustrated,page51

在EVM中，和Memory相關的指令有：

委內瑞拉全國制憲大會批準了關于使用加密貨幣和石油幣的法令:據bitcoin news報道，委內瑞拉全國制憲大會（ANC）已經批準了該國政府上周宣布批準了關于使用加密貨幣和該國石油幣的法令。根據副總統的聲明，這項法令旨在為金融和商業活動中替代機制的管理奠定基礎。[2018/4/10]

?MLOAD(x):從地址x處加載32字節的數據到調用棧(stack)

?MSTORE(x,y):從地址x開始，寫入32字節的y

?MSTORE8(x,y):從地址x開始，寫入8字節的y(低位開始)\n有興趣的讀者可以在EVMPlayground上感受下，上述內存操作帶來的內存和棧的變化。

Memory的約束

在OlaVM的5.3.5節，你可以看到關于Memory約束的設計原則(OlaVM內存相關的指令和EVM類似)。

日本財務高級官員：關于數字貨幣的討論未來還會繼續:日本財務省高級官員稱G20公報關于貿易的措辭較上次漢堡公報措辭很可能變動不大，而關于數字貨幣及其他“棘手問題”的討論很可能還將在未來繼續。[2018/3/20]

在OlaVM中，RAM的所有操作組成一個獨立的table，table里的內容由memory和storage兩種類型組成。在這里，我們只關注對于memory的約束。\n內存的操作類型大體可以分為三類：

?Init操作

?write操作

?read操作

觸發Init的場景有三種，分別是ctx的變換，type的變化，addr的變化；當任何一個場景觸發時，需要約束，操作類型為w(write)，v(value)為0。

當上述三種場景沒有觸發時，則需要根據當前的操作類型來約束；

?如果是w(write)操作，需要約束clk是遞增的，寫入的值v是對的。

?如果是r(read)操作，需要約束clk是遞增的，讀取的值和上次寫入的值是相同的。

一些可能性提升

?對于Init操作，需要約束一個內存地址的初始化的值為0么？

我認為沒有必要對初始化的操作進行約束；實際上，對于任何地址，你可以約束它的第一次訪問必須是write操作，而不是read操作；而如果是write-once內存模型，這個限制將天然存在，因此，如果虛擬機的內存模型改為write-once模型，將減少對內存的訪問約束。

?對于read操作，能否避免對應的約束，即避免校驗讀取的值和上次寫入的值一致？

由于VM本身定義的memory類型的讀寫內存，無法保證，VM在讀取這個內存地址的值之前，這個地址的值沒有被修改，因此需要增加一個相等性校驗，如下圖所示：

由此可以看出，產生這個約束的核心原因，內存模型是讀寫內存，地址的值存在被改寫的可能，因此，如果嘗試使用只讀內存，那么就不需要在memory的約束去實現上述的一致性約束。

注意：這可能會增加虛擬機的實現難度，因為這是一個不常用的內存模型；并且，我們應該不會首先在這個虛擬機上面去定義一個高級DSL，因為這個語言對Dapp開發者會有些不友好，需要在編譯器層面去消除，使得這些不友好，對開發者不可見。\n\n所以，如果采用上述內存模型，內存模塊的約束，將只剩下針對write操作的約束，即使用copyconstraints來保證寫入的值是對的即可。無須約束：

?讀取的值等于寫入的值，因為內存只能被寫一次

?讀的clk大于寫的clk，因為只能先寫再讀

?內存的初始化值為0

參考

ethereum_evm_illustrated,page51

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