OLA:Sin7y團隊解讀：關于在 ZKEVM 中移除內存限制的一些想法

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-specs?Polygon的ZKEVM設計(bytecode-level)：?PolygonzkEVMDocumentation；Sin7y的ZKEVM設計(language-level)：OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM。

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：

?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

??...

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。

幣安和相關實體2019年至今通過Silvergate和Signature轉賬約700億美元:6月8日消息，據彭博社援引法院文件報道，從 2019 年到今年，幣安和相關實體通過現已倒閉的 Silvergate Bank 和 Signature Bank 的賬戶轉賬了約 700 億美元，包括大量資金在幾天內流入和流出。其中 Silvergate 為幣安相關方處理了超過 500 億美元，而 Signature 處理了超過 190 億美元，部分資金流向了外國實體，包括銀行對賬單、存款、作廢的支票和電匯。[2023/6/8 21:23:30]

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。

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。

EthHub聯創對《以太坊L2是一個偽裝成功能的漏洞》的文章表示質疑:4月21日消息，Blockworks今日發表了一篇題為《以太坊L2是一個偽裝成功能的漏洞》的文章，稱Layer-2技術實際上在做的是為以太坊上的一些特定問題貼上創可貼，但實際上并沒有創建解決以太坊任何實際問題的解決方案。以太坊的問題不在于存在gas費這一事實，而是gas費太高。L2通過為用戶提供一個發送他們的交易的場所然后可以將這些交易的結果廣播到主網，而不是用主網來實現這一點。將L2識別為不充分的權宜之計的觀念轉變可能會鼓勵社區優先尋找和開發長期解決方案以應對以太坊的挑戰，這可能會導致更多創新和可持續技術的出現。對此，EthHub聯合創始人sassal.eth對此評論稱“建議刪除你的推特賬戶”，部分用戶亦對此篇文章表示質疑。[2023/4/21 14:17:59]

圖片來源：ethereum_evm_illustrated,page51

StarkNet生態游戲集成平臺Cartridge發布預覽圖，包含Dope Wars等游戲:7月29日消息，StarkNet生態游戲集成平臺Cartridge在推特發布預覽圖。圖中顯示其平臺集成Dope Wars、briq、Realms、Topology、MatchboxDAO、No Game等游戲。[2022/7/29 2:46:36]

在EVM中，和Memory相關的指令有：

???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)

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)。

Web3公司Polium構建支持區塊鏈和NFT的游戲機:金色財經報道，Web3公司Polium正在嘗試構建一個支持多個區塊鏈和NFT的游戲機。該公司尋求“將大規模采用帶入Web3領域”，以吸引傳統游戲上的PC玩家。這款游戲機被譽為“Polium One”，將運行基于Immutable X、以太坊、Solana、Polygon、BNB鏈、Harmony、EOS和WAX區塊鏈的游戲。

根據新聞材料，用于交易、交換和抵押加密貨幣的多鏈錢包將可用。它的預計發布日期定在2024年第三季度，但該設備仍在進行中。（blockworks）[2022/7/8 1:59:25]

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。

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。

DeFi協議總鎖倉量達731.1億美元，24小時內漲1.5%:金色財經報道，據DefiLlama數據顯示，DeFi協議總鎖倉量（TVL）達到731.1億美元，24小時漲幅為1.57%。TVL排名前五分別為MakerDAO（77.9億美元）、AAVE（56.4億美元）、Curve（50.8億美元）、Lido（48.2億美元）、Uniswap（47.5億美元）。[2022/6/21 4:42:12]

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。

一些可能性的提升

??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。

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

1.ThedifferenttypesofZK-EVMs:

https://vitalik.ca/general/2022/08/04/zkevm.html

2.privacy-scaling-explorations/zkevm-specs:

https://github.com/privacy-scaling-explorations/zkevm-specs

3.PolygonzkEVMDocumentation:

https://docs.hermez.io/zkEVM/Overview/Overview/

4.OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM:

https://olavm.org/whitepaper/OlaVM-07-25.pdf

5.EVM:

https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf

6.ethereum_evm_illustrated,page51:

https://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf

7.EVMPlayground:

https://www.evm.codes/playground

8.OlaVM:

https://olavm.org/whitepaper/OlaVM-07-25.pdf

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來源：金色財經

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