ACK:Miden的stark證明系統-ODAILY_SAFESTAR幣

Miden證明系統架構

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。

加密貨幣投資公司Midas在虧損后關閉平臺:金色財經報道，由于Celsius和FTX的破產，導致專注于DeFi收益的加密貨幣投資公司Midas超過60%的管理資產陷入困境，該公司在遭遇重大投資虧損后不得不關閉平臺。

Midas首席執行官兼創始人Iakov“Trevor” Levin已在博客文章中確認了此事，并表示去年春天旗下DeFi投資組合就損失了5000萬美元，占其2.5億美元管理資產(AUM)的20%，在Celsius和FTX破產后，60%的管理資產又遭到打擊。不過，Iakov“Trevor” Levin透露，通過將競爭協議與流動性聯系起來，他們后續將會專注于一個“符合對集中式去中心化金融（CeDeFi）愿景”的新項目。（coindesk）[2022/12/28 22:11:40]

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

前谷歌CEO Eric Schmidt：比特幣技術是加密領域的一項重大成就:金色財經報道，2014年在計算機歷史博物館演講時，前谷歌CEO Eric Schmidt稱贊比特幣技術是加密領域的一項重大成就。Schmidt指出，比特幣的技術很重要，但對該資產作為貨幣的用途表示懷疑。比特幣的技術設置可以在未來為更多企業提供動力。

比特幣是一項了不起的密碼學成就，創造數字世界中不可復制的東西的能力具有巨大的價值比特幣架構，從字面上看，擁有這些不可復制的賬本的能力，是一個驚人的進步。很多人將在此基礎上建立業務。

此外，Schmidt分享了目前對Web3的興趣。 Schmidt稱，一個新的互聯網模式，你作為個人可以控制你的身份，而且你沒有一個集中的管理者，是非常強大的。它非常有誘惑力，而且非常分散。（finbold）[2022/8/8 12:10:05]

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。

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:

土耳其投資應用程序 Midas 融資 1100 萬美元:金色財經報道， 土耳其零售投資初創公司Midas今天宣布已籌集 1100 萬美元的股權融資。籌款僅在其成立 8 個月后舉行，由 Spark Capital 和 Earlybird Digital East Fund 牽頭，Nigel Morris 和 Revo Capital 也參與其中。Midas 于 2021 年 4 月推出了一個龐大的候補名單，現已在該平臺上交易超過 1 億美元。在推出不到一年的時間里，Midas 現在在伊斯坦布爾擁有一支由 70 人組成的團隊。這些資金將用于推出加密貨幣產品，為銀行和新銀行的投資產品建設基礎設施，以及擴大用戶群。（finextra）[2022/2/8 9:36:49]

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。

動態 | Midex發布首個受歐盟監管的數字貨幣交易所:據coincryptorama報道，Midex發布首個受歐盟監管的數字貨幣交易所。[2018/11/30]

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:

Schmidt's Naturals：可用比特幣支付個人護理產品:據cnbc消息，本周一，聯合利華旗下的個人護理用品公司Schmidt's Naturals開始接受比特幣在線支付。該公司首席全球戰略官Michael Cammarata表示，在一個加密貨幣的時代，該公司正在向消費者提供他們想要的東西。現在，顧客可以在公司的網站上購買各種各樣的天然產品，包括除臭劑、牙膏和肥皂等，都可以用比特幣結賬。Cammarata認為，就目前而言，比特幣是唯一被接受的加密貨幣。但如果有需求，加密貨幣的業務也會隨之擴展。[2018/5/16]

mul

Constrain:

inv

Constrain:

neg

Constrain:

bool指令

not

Constrain:

and

Constrain:

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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