FLAG:Sin7y團隊解讀：TinyRam 指令集和電路約束

簡介

Tinyram是一個簡單的RISC隨機存取機器，具有字節尋址的random-accessmemory和inputtapes。TinyRAM有兩個變體：一個遵循哈佛架構，一個遵循馮諾依曼架構(本文我們主要討論馮諾依曼架構)。

簡明計算完整性和隱私研究項目構建了證明TinyRAM程序正確執行的機制，而TinyRAM的設計是為了在這種情況下提高效率。它在“擁有足夠表達能力”和“足夠簡約”這兩個對立面之間取得平衡：

?當從高級編程語言編譯時，有足夠的表達能力來支持簡短高效的匯編代碼。

?小指令集，指令通過運算電路簡單驗證，利用SCIPR的算法和密碼機制實現高效驗證。

本文對于tinyram不再進行重復介紹，會對上一篇文章進行補充，然后重點是指令介紹和電路約束介紹。tinyram基礎介紹可以參考我們團隊上一篇文章：深入理解TinyRam

Tinyram指令集

Tinyram總共有29個指令，每條指令都由一個操作碼和最多三個操作數組成。一個操作數可以是一個寄存器的名稱。除非特別說明，否則指令不會單獨修改flag。每條指令默認將pc增加i(i%2^W),對于vnTinyram來說i=2W/8。

一般來說，第一個操作數是指令計算的目標寄存器，其他的操作數指定指令需要的參數，最后，所有指令都需要機器的一個周期來執行。

位操作

整數操作

這些是各種無符號和有符號的整數操作。在每種情況下，如果發生算術溢出或錯誤，flag被設置為1，否則被設置為0。

shift操作

??shl?指令?shlrirjA?將左移位ubit得到的W位string存儲在ri寄存器中。移位后的空白位置被填充為0。此外flag被設置為的最高有效位。

??shr?指令?shrrirjA?將右移位ubit得到的W位string存儲在ri寄存器中。移位后的空白位置被填充為0。此外flag被設置為的最低有效位。

南方東英比特幣期貨ETF資產管理規模超3000萬美元:金色財經報道，據香港交易所數據顯示，截至2023年6月23日，南方東英比特幣期貨ETF（ (HK:3066）資產管理規模升至3000萬美元上方，當前為3107萬美元。此外，南方東英的以太坊期貨ETF（HK:3068)）資產管理規模為1073萬美元。[2023/6/27 22:02:34]

比較操作

比較操作中的指令每一個都不會修改任何寄存器；比較的結果存儲在flag中。

move操作

??mov?指令?movriA?將存儲到ri寄存器中。

??cmov?指令?cmovriA?如果flag=1，將存儲到ri寄存器中。否則ri寄存器的值不會改變。

Jump操作

這些jump和條件jump指令都不會修改寄存器和?flag?但是會修改?pc。

??jmp?指令?jmpA?將存儲到pc中。

??cjmp?指令?cjmpA?在?flag?=1的條件下將存儲到pc中，否則pc自增1。

??cnjmp?指令?cnjmpA?在?flag?=0的條件下將存儲到pc中，否則pc自增1。

Memory操作

這些是簡單的memoryload和store操作，其中memory的地址由立即數或寄存器的內容確定。這些是tinyram中唯一的尋址方式。。

輸入操作

該指令是唯一一個訪問兩個tapes中的任意一個的指令。第0個tape用于primary輸入，第1個tape用戶auxiliary輸入。

輸出操作

該指令表示程序已經完成了計算，因此不能再允許其他操作。

Web3基金會公布第17批資助名單，共46個項目入圍:4月10日消息，Web3 基金會公布第 17 批資助名單，共計為 46 個項目提供總金額約為 100 萬美元的贈款，其中項目包括 ChainSafe、OmniBTC、Tellor、FuzzLand、Me Protocol、ArtZero、Runtime Verification、Blockcoders 等。[2023/4/11 13:55:16]

指令集約束

Tinyram采用R1CS約束形式進行電路約束，具體形式如下：

一個R1CS約束，可以有a，b,c三個linear_combination表示，一個R1CS系統中的所有變量的賦值，可以分為兩個部分：primaryinput和auxilaryinput。Primary就是我們經常說的“statement”。auxiliary就是“witness”。

一個R1CS約束系統包含多個R1CS約束。每個約束的向量長度是固定的。

Tinyram在libsnark的代碼實現中大量使用了一些定制gadgtes來表述vm的約束以及opcode執行和memory的約束。具體代碼在gadgetslib1/gadgets/cpu_checkers/tinyram文件夾下。

位操作約束

??and?約束公式：

and的R1CS約束將參數1和參數2以及計算結果逐bit位進行乘法計算驗證，約束步驟如下：

1.計算過程約束，代碼如下：

2.結果編碼約束

3.計算結果非全0約束

4.flag約束

科技部發布《“十四五”國家高新技術產業開發區發展規劃》，鼓勵區塊鏈等新興數字產業:金色財經報道，11月9日，科技部發布《“十四五”國家高新技術產業開發區發展規劃》（以下簡稱規劃）。規劃稱，鼓勵園區積極培育人工智能、大數據、云計算、區塊鏈、工業互聯網等新興數字產業，打造優勢數字產業集群。支持園區探索場景創新，完善場景促進機制，探索推出首發首創式應用場景，釋放數字經濟新活力。[2022/11/9 12:38:41]

??or?約束公式：

具體約束步驟如下：

1.計算過程約束，代碼如下：

2.結果編碼約束

3.計算結果非全0約束

4.flag約束

??xor?約束公式：

具體約束步驟如下：

1.計算過程約束，代碼如下：

步驟2，3，4同上

?not?約束公式：

具體約束步驟如下：

步驟2，3，4同上

整數操作約束

?add：?約束公式：

Web3 會計軟件 Tres 宣布完成760萬美元融資:金色財經報道，Web3 金融工具軟件 Tres 已獲得由 Boldstart Ventures 領投的 760 萬美元融資。F2、Alchemy、New Form、Kenetic Capital、Blockdaemon Ventures 和 Mantis 也參與了本輪融資。?Tres 旨在通過收集來自不同錢包和賬戶的數字資產數據并將其匯總到其數據平臺中來改善 web3 公司的會計流程。[2022/9/20 7:09:12]

具體約束步驟如下：

1.計算過程約束，代碼如下：

2.解碼結果約束和boolean約束

3.編碼結果約束

?sub:?約束公式：sub約束比add稍微復雜一些，采用了一個中間變量表示a-b的結果，同時為了保證結果計算表示為正整數和符號的形式，給結果加上了2^w。具體約束步驟如下：

1.計算過程約束

2.解碼結果約束和boolean約束

3.符號位約束

?mull?、umulh、smulh?約束公式：

mull相關的約束都涉及以下幾個步驟

1.計算乘法約束

2.計算結果編碼約束

3.計算結果flag約束

?udiv?、umod?約束公式：

Web3音樂初創公司Medallion完成900萬美元種子輪融資:金色財經報道，Web3音樂初創公司Medallion完成900萬美元種子輪融資，多名音樂行業公司和天使投資參投，包括：Matt Jones、Another Planet Entertainment、Dan Berkowitz、iLLENIUM、Mick Management、Mike Shinoda、Red Light Ventures、Ryan McMahon、Ryan Rabin，以及 Ben Chan、Ben Chereskin、Cooper Turley、Darren Lachtman 等。投資人Matt Jones表示，Web3 正在重塑藝術家和粉絲之間的連接并在區塊鏈上形成不可改變的關系，讓粉絲體驗更加充實。據悉，Medallion核心團隊成員主要來自Uniswap、Instagram、Hearst、Songkick、華納音樂集團等公司。（digitalmusicnews）[2022/5/22 3:33:16]

B為除數，q商，r為余數。余數與需要滿足不能超過除數的條件。具體約束代碼如下：

shift操作約束

??shl、shr?約束公式

比較操作

比較操作中的指令每一個都不會修改任何寄存器；比較的結果存儲在flag中。比較指令包含cmpe、?cmpa?、cmpae、cmpg、cmpge?。比較指令可以分為兩類，分別為有符號數的比較和無符號數比較，兩者約束過程核心都利用了libsnark中實現的comparison_gadget。

其他剩余過程跟有符號數比較約束相同

move操作約束

??mov?約束公式：

mov的約束比較簡單，只需要確保將存儲到ri寄存器中，由于mov操作沒有修改flag，所以約束需要確保flag的值沒有產生變化。約束代碼如下：

??cmov?約束公式：

cmov的約束條件比mov復雜一些，主要mov的行為跟flag值的變化有關系，同時cmov不會修改flag，所以約束需要確保flag的值沒有變化，cmov的代碼如下：

Jump操作約束

這些jump和條件jump指令都不會修改寄存器和?flag?但是會修改?pc。

??jmp

Jmp操作約束pc值與指令執行結果一致，具體約束代碼如下：

??cjmp

cjmp根據flag條件進行跳轉，flag=1進行跳轉，否則pc自增1

約束公式如下：

約束代碼如下：

??cnjmp

cnjmp根據flag條件進行跳轉，flag=0進行跳轉，否則pc自增1

約束公式如下：

約束代碼如下：

Memory操作約束

這些是簡單的memoryload和store操作，其中memory的地址由立即數或寄存器的內容確定。這些是tinyram中唯一的尋址方式。。

??store.b?和?store.w

對于store.w取整個arg1val的值，對于store.b操作碼只會取arg1val的必要部分，約束代碼如下:

??load.b?和?load.w

這兩個指令我們要求從內存中加載的內容被存儲在instruction_results中，約束代碼如下：

輸入操作約束

??read

read操作跟tape有關，具體的約束規則是：

1.上一個tape中的內容被讀完，沒有內容可讀，不會讀取下一個tape。

2.上一個tape中的內容被讀完，沒有內容可讀，flag被設置為1

3.如果當前執行的指令是read,那么read讀取到的內容和tape輸入內容一致

4.從tape1以外的地方讀取內容，flag被設置為1

5.result為不為0，意味著flag為0

約束代碼：

輸出操作約束

該指令表示程序已經完成了計算，因此不能再允許其他操作

??answer

當程序的輸出值被接受，has_accepted會被設置為1，程序返回值能夠被正常接受意味著當前的指令為answner以及arg2value為0。

約束代碼如下：

其他

當然除了上述提到的一些指令相關的約束外，tinyram還有一些pc一致性、參數編解碼、內存檢查等各種約束。這些約束通過R1CS系統組合起來構成一個完成的tinyram約束系統。所以這也是R1CS形式的tinyram生成約束數量較多的根本原因。

這里引用一個tinyram介紹ppt的圖片，展示一個ERC20transfer用tinyram生成證明需要的時間消耗。

從上圖的例子可以得出結論：使用vnTinyram+zk-SNARKs驗證所有EVM操作是不可能的，只適合驗證少量的指令的計算驗證，可以使用vnTinyram驗證EVM的部分計算類型的opcode。

參考

tinyram介紹ppt:

https://docs.google.com/presentation/d/1lbyLmXhCry61fxWm8LLxPKhCYV67RcZaK3WL20Hb-t8/edit#slide=id.g5b38da04a0_0_21

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來源：金色財經

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