AIR:零知識證明 | Cairo 語言介紹

作者：NicLin，imToken資深區塊鏈工程師

本文受眾：區塊鏈開發者或零知識證明愛好者

Cairo是STARK證明系統的其中一個編程語言，讓開發者能透過Cairo來使用STARK，撰寫效能更高的DApp。

PhotobySimonBergeronUnsplash

Warning：本篇會保持在highlevel的介紹，實際深入的部分請見文內附上的文檔或是官方開發者文件。

背景介紹

建構于密碼學的零知識證明能提供計算的隱私性，但同時在區塊鏈生態系也被用來提升Scalability—我可以用10秒的運算資源來驗證原本耗費1000秒運算資源的計算過程如同更多人熟悉的SNARK，STARK也是一個零知識證明的證明系統，但當前的STARK著重的是在Scalability，而非大家比較習以為常零知識證明提供的隱私性特質其實目前基于SNARK的Rollup項目，例如zkSync、Loopring、Aztec、zkopru，除了Aztec外，其他都是利用SNARK來增加Scalability—這些Rollup上資料都還是公開、沒有隱私性的StarkWare是目前唯一基于STARK的開發團隊STARK要加上隱私保護不會太難，只是StarkWare還沒有把這項功能放在未來規劃中Cairo簡介

LayerZero Labs 與 Polyhedra Network 合作推出基于零知識證明的輕客戶端:5月31日消息，LayerZero Labs 宣布與 Polyhedra Network 達成戰略合作，共同推出基于零知識證明技術的輕客戶端，使得 LayerZero 的開發者只需要更新一個參數配置就可以使用 Polyhedra Network 開發的零知識證明協議。[2023/6/1 11:51:12]

標榜為圖靈完備的零知識證明系統語言，Cairo對原本熟悉Solidity的開發者來說還是會感到比較難上手和陌生的。再加上套件庫還不夠充足，目前支援的雜湊函式是Pedersen，數位簽章演算法是ECDSA。

但Cairo還在早期開發的階段，相信開發體驗會越來越好的。

另外需要注意的是作為一個證明系統，會有Prover和Verifier的角色。而STARK的Verifier是開源的，但Prover軟體預計會有License保護。Prover一般情況下不得用于商業用途，除非將proof上傳至官方的Verifier。

零知識硬件初創公司Cysic完成600萬美元種子輪融資:金色財經報道，零知識 (ZK) 硬件初創公司 Cysic 完成了 600 萬美元的種子輪融資。該輪融資由 Polychain Capital 領投，其他投資者包括 Hashkey、SNZ Holding、ABCDE 和 Web3.com 基金會。[2023/2/17 12:13:48]

CAIRO字母分別代表的意思是

C:CPUAIR:AlgebraIntermediateRepresentationO:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemallC和AIR因為比較偏撰寫零知識證明應用的細節和經驗所以會跳過，但O:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemall代表的是：任何使用Cairo寫的程式都能用同一個Verifier來驗證，每個應用不再需要產生自己也只有自己能用的Verifier合約。

開發者不需要對自己的應用跑trustedsetup，也不需要煩惱Verifier的部分，如果你有開發過基于SNARK的應用的話你會更有感覺。

Polygon聯合創始人：承諾為零知識技術投資10億美元:12月25日消息，Polygon聯合創始人Sandeep Nailwal在接受采訪時表示，根據PolygonScan瀏覽器，Polygon平均出塊時間約為2.3秒，以太坊平均出塊時間則是15秒。然后Gas費大概是0.001 MATIC。

關于投資零知識技術的目標，Nailwal回答稱，“我們承諾為零知識技術投資10億美元，我們認為這是區塊鏈擴展的圣杯。隱私是第二個因素——這是每個人都會感到困惑的一個因素。因此，您可以使用ZK在以太坊上驗證計算，而無需發回全部數據。相反，您只需證明在第二層上所有計算都是正確的，并將一個簡潔的證明放回到以太坊。”

Nailwal還表示，“即使ETH 2.0升級已經實現，也不會提供足夠的可擴展性。明年，PoS升級將保持一切不變；就像以太坊現在每秒有13筆交易（TPS），在PoS之后也許會達到20 TPS，但不會超過這個數字。所以這不會增加任何可擴展性。假設在三到五年內，即使實現分片，我們預測會有64個分片，每個分片每秒處理20筆交易，但總的來說還是每秒1280筆交易，對嗎？這對整個世界來說還是不夠的。”（Cointelegraph）[2021/12/25 8:03:07]

最后要提及的是，第一版的Cairo是設計來方便開發者將DApp的運算遷移至鏈下。不同于Rollup，這個鏈下只會有它自己一個DApp。這個DApp的項目方自己維護自己DApp的state。

Polygon 推出基于STARK零知識證明的擴容方案 Miden，采用Facebook開源技術且兼容EVM:11月16日消息，Polygon宣布推出基于零知識的、與 EVM 兼容的擴容解決方案Miden，同時也將開源其核心組件的早期原型版本Polygon Miden 虛擬機 (VM) 。Polygon Miden 是一個基于 STARK 的 ZK Rollup，Polygon Miden VM 是完全開源的基于 STARK 的虛擬機，它的作用是驗證程序執行并為DApp 部署提供增強的盡職調查。Miden VM 通過利用Facebook的Novi開發的STARK證明器/驗證器Winterfell 對基于Rust語言編寫的零知識虛擬機 Distaff VM進行了擴展。Distaff VM和Winterfell的核心開發人員Bobbin Threadbare將加入 Polygon 作為 Miden Lead，致力于重新整合 Distaff，將 Distaff 和 Winterfell 結合起來，并繼續開發 Miden VM 及其周圍的生態系統。

除Polygon Miden外，Polygon價值10億美元的ZK策略資金還孵化Polygon Hermez和Polygon Nightfall。Polygon Hermez是此前收購的Hermez Network，Polygon Nightfall是與安永共同開發構建的以隱私為重點保護的Rollup。[2021/11/17 21:56:06]

這可能有點難懂。如果你有在寫Solidity，想像一下今天你在合約要用到合約里宣告的storage變數時，你要自己提供merkleproof上來，證明這個storage變數真的是這個值。這個就是開發者要自己維護state的意思。

動態 | 波場社區TRONZ團隊已完成零知識證明匿名交易公測:波場社區TRONZ團隊已完成零知識證明匿名交易公測，測試網已經順利部署。匿名交易即將在波場TRON主網上線，現已開啟主網MPC流程，社區用戶均可參與。Github參考地址可見原文鏈接。[2019/12/31]

而第二版的Cairo則是StarkNet里使用的Cairo，這版的Cairo就是作為DApp在Rollup開發所使用—開發者可以在合約里宣告變數，變數的值不需開發者維護，可以直接假設存在。

注1：StarkWare不喜歡Rollup這個詞，他們覺得DataAvailability的需求是一段光譜：不一定得要把data全都送上L1，中間有其他方式可以做不同層級的DataAvailability。

注2：第一版和第二版實際上在官方版本里是0.0.1及0.0.2，在撰文當前最新版即是0.0.2。

官方網站：https://www.cairo-lang.org?

開發者文件：https://www.cairo-lang.org/docs/?

開發環境

Cairo有提供像是Remix的瀏覽器IDE：playground。里面提供各種范例練習和挑戰，除了可以編譯，還可以直接生成并上傳proof。

注：但有些功能還是沒辦法在playground里使用，例如要給你的程式custominput時。這時候只能在本地端開發才能使用這個功能。

開發Cairo要先安裝python，我將開發者文件整理出來的資料統整在這個hackmd文檔里：https://hackmd.io/w690dpAQTsKeKZv3oikzTQ

里面包含簡介、設置本地開發環境以及Cairo基礎

注：我把開發者文件里的代碼整理到這里：https://github.com/NIC619/cairo_practice/tree/master/practices

如果不想在研究開發者文件過程中，還要自己手動拼湊里面例子的話，可以直接用整理好的代碼來執行。同時repo里還有包含一些額外自己測試Cairo功能的范例。

深入Cairo

在那份hackmd文檔里的開頭，可以連結到第二部分—深入Cairo的部分。里面也是從開發者文件里擷取出來我覺得比較重要的部分。如果你要讀開發者文件的話，我建議從HelloCairo開始，它會從例子切入，會比較好知道Cairo怎么使用。接著如果要更深入了解，再去讀HowCairoWorks。

StarkNetCairo

第二版的Cairo其實功能和第一版的Cairo是差不多的，所以不必擔心在開發者文件里學到的Cairo在StarkNet版本會不能用或差很多。在讀完HelloCairo/HowCairoworks后，就可以接著看HelloStarkNet。會很順利的切換到StarkNet版本的Cairo。

注1：我整理的文檔里是按照第一版Cairo所寫的

注2：如果你從開發者文件一路看下來，體驗過非StarkNet版的Cairo，那你在體驗StarkNet版的Cairo時一定會發現這更像一般智能合約的使用方式—你可以用view函式查詢storage變數，可以用external函式去執行合約。

非常建議嘗試兩種版本的Cairo，你會知道1.操作一個單獨在L2的DApp和2.操作與其他DApp共存在Rollup上的DApp的不同。這對了解L2怎么運行、需要哪些資料、為什么需要這些資料非常有幫助。

0.0.2版的StarkNetCairo目前還缺少一些功能：

函式還沒辦法宣告陣列或struct型態的參數合約和合約之間還沒辦法互動L1沒有辦法讀取到L2的資料，L2也沒辦法讀取到L1的資料。如果要建立跨L2Bridge，這個功能非常重要。補充及個人心得

STARK的proofsize相比于SNARK系列的proofsize大很多，又其證明所包含的交易數量對proofsize和驗證時間的影響不大，所以把很多筆交易一并做一個proof會是對STARK非常有利、節省成本的方式。但這同時也是一個缺點，如果你的DApp或Rollup的TPS不高，那就只能等更久時間搜集多一點的交易，要不然就只能提高成本來維持驗證proof的頻率。

StarkWare和zkSync一樣都有Rollup宇宙的概念，個人覺得能夠有選擇是會比只有一個選擇還好的方式，但實際上的可行性就要等其團隊釋出更多的資訊。

在Rollup越趨成熟的情況下，能夠提供快速跨Rollup服務的流動性提供者的角色會越來越重要。zkRollup比OptimisticRollup有著短上許多的finalize時間，這對降低流動性提供者的風險有很大的幫助，但目前zkRollup支援合約功能甚至L1<->L2互動的完成度都比OptimisticRollup還低上許多。短期內快速跨Rollup的服務應該還是局限在OptimiticRollup之間。

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