Miden的stark證明系統-ODAILY_STA

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。

Polygon Miden公共測試網預計將于第四季度推出:7月17日消息，Polygon Labs發文表示，由zk-STARK驅動的Miden虛擬機Polygon Miden公共測試網預計將于第四季度推出，Polygon Miden的核心目標是擴展EVM的功能集，以創建一個前瞻性的擴展解決方案，該解決方案仍然繼承了以太坊的安全性。在Polygon Miden上，用戶可以創建和交易任意同質化與非同質化的資產。目標是Polygon Miden上的所有資產都以與以太坊網絡上ETH代幣相同的方式進行原生處理。[2023/7/18 11:00:29]

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。

SubDAO公布Middleware 2.0版本，將支持在Twitter上創建和管理多簽與DAO組織:據官方消息，SubDAO將發布2.0版本Twitter中間件，新版本將迭代DApp Solidity版本的最新功能，主要用于在Twitter上創建Multi-sig多簽和管理DAO組織，發起人可發行1155協議NFT作為DAO token進行DAO募集，并自定義DAO token的釋放與流通規則。

SubDAO 是一個 DAO 基礎設施協議，通過中間件、Multi-sig和其他去中心化功能幫助管理數字資產，已在Ethereum、BSC、Polygon、Moonbeam等多個主網上部署。據悉，SubDAO獲得Messari創始人Ryan Selkis及Hypersphere、CMS Holdings、OKX Ventures、Huobi Ventures等多家機構融資。[2022/12/2 21:18:06]

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。

美國鎢企Midwest Tungsten Service周五將在OpenSea上拍賣鎢立方體NFT:10月22日消息，美國鎢企Midwest Tungsten Service正在拍賣一個與該公司有史以來最大的鎢立方體相連的NFT。這個鎢立方體長約14英寸，重約1784磅。OpenSea的競標將于周五開始，根據OpenSea的介紹，該NFT授予其持有者每年一次的超密度立方體訪問權。（Coindesk）[2021/10/22 20:49:38]

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:

Midas平臺成功添加Zap新功能:據Midas團隊表示，已經成功在其平臺上添加了Zap功能。Zap是一個自動化的工作流程，可以將用戶的應用程序和服務連接在一起，每個Zap由一個觸發器和一個或多個動作組成，社區可以更容易地通過Zap參與流動性挖礦。Zap流程只包括從購買MDS代幣到提供流動性與ETH匹配的操作，如果想要得到更多$MDS，則必須將LP代幣指南加入到ZAP中。[2020/11/3 11:31:55]

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:

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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