STA:Sin7y團隊解讀：Miden的stark證明系統_Crypto Jackpot

引言

miden是一個基于strark技術的zkvm實現方案。它的底層是基于winterfell這個zkp庫來生成stark證明和對證明進行驗證。下圖1中虛線部分是Miden實現的主要功能。可以看出，主要有三個組件構成。

1.一套詞法語法編譯器,下圖1中的lexicalanalyzer和syntaxparser。它們可以將miden定義的匯編指令編程成codeblock和block中包含的opcode和opvalue。

2.一套指令的執行器，下圖1中的executor。它負責按照定義的規則執行codeblock和block中包含的opcode及opvalue。執行結果為用于生成證明的executiontrace。

3.一套符合stark證明要求的AIR(代數中間表示)，下圖1中的AIR。用來對miden的虛擬機執行過程進行約束。

AIR結構設計圖

AIR的約束分為stack和decoder兩部分：

圖2為stack的約束，初始化時分配了最上邊深度為8的stack。在執行時根據程序需要，可能會超出初始化分配的深度，那么max_depth會根據需要遞增。但是不能超過最大深度16。否則報錯。

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圖3為decoder的約束。其中的op_counter,op_sponge,cf_op_bits,ld_op_bits,hd_op_bits是固定列長度的。其中的op_sponge用于執行指令的順序和正確性的約束。cf_op_bits約束3bit的flow_ops。ld_op_bits,hd_op_bits分別約束了user_ops的低5bits和高2bits。ld_op_bits和hd_op_bits組合構成一條執行的user_op,還用來作為stack每step狀態約束的selector。

MidenVM執行過程實例

本節將展示一個簡單的miden邏輯來說明vm的執行過程和stark的executiontrace的生成。

下邊代碼段1是要執行的代碼段：

它執行的邏輯是將3和5壓棧。之后從tape讀取flag。判斷flag是1還是0。如果是1則運行if.true分支將壓棧的兩個數3和5取出，相加得到8并重新壓入棧。如果是0則運行else分支將壓棧的兩個數3和5取出相乘得到15，再將15重新壓入棧。

7月份Optimism主網日交易量兩次突破60萬筆:金色財經報道，在World ID和World App遷移到OP主網計劃后，Optimism交易量有所上升。根據Etherscan 數據，7 月份Optimism主網日交易量兩次突破60萬筆。L2Beat的數據還顯示，Layer2 網絡在過去30天內處理了1595萬筆交易，平均每天每秒處理6.12筆交易。[2023/7/23 15:53:03]

代碼段通過miden的詞法和語法分析器解析后的最終指令代碼如下代碼段2:

下邊圖4是vm運行代碼段2的過程，中間是executor執行opcode的流程圖，左邊虛線指向的是代碼執行產生的decodertrace，右邊點劃線指向的是代碼執行產生的stacktrace。

其中executor是按照codeblock來一塊一塊執行。在本例子里，首先執行了一個spanblock。之后在第32步時執行if-else-end結構進入了swtichblock塊，并將之前的spanblock的最后一步執行生成的spongehash壓入ctx_stack，并在swtichblock塊執行完之后，在第49步彈出到sponge里。

數藏平臺藏鯨靈獲百萬級天使投資:金色財經報道，據“藏鯨靈”公眾號，數字藏品平臺開發商上海藏鯨靈信息科技有限公司宣布獲得百萬級天使輪投資，將著力打造價值數字藏品平臺。據公開資料顯示，該公司主要以非同質化技術為基礎，結合數藏產品與公益活動、IP版權、賦能傳統藝術品、品牌營銷、元宇宙應用等技術。[2022/12/20 21:55:52]

Note：本文檔描述針對miden工程的main分支最新版本。目前miden的next分支對于指令進行了大量重新設計，AIR也只實現了很少一部分的約束。

stack約束條件

本節將展示主要的User操作指令的約束條件。其中的old_stack_x指的是指令執行前的stack的x位置存儲的value。new_stack_x指的是指令執行后的stack的x位置存儲的value。-->是將棧左邊位置的value拷貝到右邊位置。==是等式約束。stack的約束相對比較簡單，就不多做解釋了。

條件指令

Choose

Constrain:

如果condition為1，x在堆棧頂部，condition為0，y在堆棧頂部

算術指令

add

Constrain:

FTX攻擊事件黑客將BSC上7420枚BNB兌換為1500枚ETH，并橋接至以太坊網絡:11月15日消息，據派盾檢測數據顯示，FTX攻擊事件黑客（鏈上地址被標記為FTX Accounts Drainer）將BSC上7420枚BNB（約合207萬美元）兌換為1500枚ETH（約合190萬美元），并橋接至以太坊網絡。[2022/11/15 13:08:21]

mul

Constrain:

inv

Constrain:

neg

Constrain:

bool指令

not

Constrain:

and

Constrain:

Circle：Solana將增加對歐元穩定幣（EUROC）的支持:金色財經報道，穩定幣發行商 Circle宣布，Solana鏈將增加對歐元穩定幣（EUROC)的支持，遷移到 Solana 將改善鏈上外匯功能。Euro Coin于 6 月在以太坊區塊鏈上推出，由現金和歐洲政府債務混合支持。

EUROC目前市值僅為8000萬美元。USDC 的市值為 420 億美元。最大的穩定幣 Tether 的 USDT 市值為 690 億美元。[2022/11/7 12:28:20]

or

Constrain:

hash指令

RESCR

滿足hash函數協議的限制函數hash

占用6registers

Constrain:

比較指令

eq

Constrain:

cmp

根據比較的兩個數的bit長度循環比較。比如

A:

B:

需要比較4次

Constrain:

堆棧操作指令

dup.n

Constrain:

swap

Constrain:

ROLL4

Constrain:

decoder的約束條件

本節將展示主要的Flow操作指令的約束條件。

用戶代碼執行

op_bits

對于cf_op_bits，ld_op_bits，hd_op_bits的約束。

約束1:每bit只能為0或者1。

約束2:當op_counter不為0時，ld_ops和hd_ops不能同時為0。

約束3:當cf_op_bits為hacc時。op_counter狀態會加1。

約束4:BEGIN,LOOP,BREAK,andWRAP指令需要16對齊

約束5:TENDandFEND指令需要16對齊

約束6:PUSH指令需要8對齊

hacc

hacc作為flowOps，每次執行該指令都會引起sponge的狀態改變，需要進行約束

條件判斷

t_end

作為if的true分支結束的約束，分為兩部分：

約束1:sponge狀態的約束，彈出棧頂的值等于new_sponge_0。if的true分支的最后一步執行后的sponge等于new_sponge_1。new_sponge_3等于0。

約束2:ctx_stack的約束。彈出棧頂的值等于new_sponge_0。棧內其他元素都往棧頂移動一個位置。

約束3:loop_stack的約束。loop_stack的狀態不變。

f_end

作為if的false分支結束的約束，分為兩部分：

約束1:sponge狀態的約束，彈出棧頂的值等于new_sponge_0。if的true分支的最后一步執行后的sponge等于new_sponge_2。new_sponge_3等于0。

約束2:ctx_stack的約束。彈出棧頂的值等于new_sponge_0。棧內其他元素都往棧頂移動一個位置。

約束3:loop_stack的約束。loop_stack的狀態不變。

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