深入理解TinyRAM-ODAILY_RAM

TinyRAM是由大名鼎鼎的BCTGTV五人組(EliBen-Sasson,AlessandroChiesa,DanielGenkin,EranTromer,MadarsVirza)和SCIPR實驗室提出的一種隨機訪問器架構，旨在成為表達非確定性計算證明性的便捷工具。具體來說，TinyRAM是一種精簡指令集計算機(RISC)，具有字節級可尋址的隨機存取存儲器。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，以及

?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。

架構

TinyRAM由兩個整數參數化：字長W，需要是2的冪且可以被8整除(這點和現代計算機一樣，如32，64)，以及寄存器的數量K。一般用TinyRAM(W,K)來表示，機器的狀態包括以下內容：

1.程序計數器pc(programcounter)，由W個bit組成。

2.K個通用寄存器，以r0,r1,...,r(K-1)表示，每個寄存器都是W個bit。

3.條件標志flag，由一個bit組成。

4.內存，2^W個字節的線性數組，使用小端約定排列字節。

Aurora CEO：彩虹橋已完全恢復，將深入審查相關問題:金色財經報道，Aurora CEO Alex Shevchenko發推稱，彩虹橋已完全恢復。用戶可以進行新的代幣跨鏈，也可以完成暫停前已經開始的代幣跨鏈。接下來將對該問題進行深入審查。

據此前報道，2月11日，Aurora CEO Alex Shevchenko發推稱，彩虹橋（Rainbow Bridge）已采取預防措施而暫停使用，沒有資金損失，團隊正在努力恢復彩虹橋。[2023/2/13 12:03:11]

5.2個磁帶(tape)，每個包含一串Wbit的字。每個磁帶都是單向只讀的。其中，一個磁帶是用于公開輸入x，另一個用于私有輸入w。其實就是TinyRAM的輸入載體。

TinyRAM機的輸入是2個磁帶以及內存，輸出是answer指令，該指令有一個參數A，代表返回值，A=0表示接受。也可以使用該指令終止執行程序。

TinyRAM根據執行指令的位置不同有兩種變體：一種變體遵循哈佛架構，另一種遵循馮諾依曼架構。前一種架構的數據和程序存放在不同的地址空間中，且程序是只讀的；后一種架構數據和程序存放在同一個可讀寫的地址空間中。具體用圖表的方式來表示這兩者的區別：

上海：深入應用區塊鏈提升在線跨境結算功能:金色財經報道，上海市人民政府今日印發《關于本市加快發展外貿新業態新模式的實施意見》，其中指出將探索區塊鏈技術在貿易細分領域中的應用，建設數字貿易交易促進平臺，深入應用區塊鏈、大數據技術，提升在線跨境結算功能。[2021/10/15 20:32:30]

以下兩個架構的圖示：

在開始更詳細的TinyRAM設計細節之前，我們以官方白皮書的例子說明，TinyRAM是如何做到既簡潔又全面，能夠滿足非確定性的計算問題的。

意義

Alice擁有x，Bob擁有w。Alice想知道算法A(x,w)的計算結果的正確性，但是不想自己計算。這樣的場景，在零知識證明系統中非常常見，有證明者和驗證者，驗證者想知道證明者提供的證據的正確性，但不必自己重新計算一次。TinyRAM架構就滿足這樣的場景，兩個磁帶可以傳入私有輸入w和公開輸入x，證明計算和驗證程序在其中執行。SCIPR實驗室實現的libsnark庫中，已實現了TinyRAM。具體參見：https://github.com/scipr-lab/libsnark.

聲音 | 瑞銀前負責人：DLT技術已深入金融機構設計核心:據AMBCrypto今日消息，瑞銀（UBS）前首席執行官Peter Wuffli認為DLT技術很強大。他表示，DLT技術深入到了金融機構設計的核心，即會計。在傳統會計中，具有三層或四層控制：銀行的內部會計部門，內部審計，外部審計和銀行主管；而DLT技術可確保所有內容都是可追溯和正確的，并且可以通過各方之間的共識建立控制。這比官僚控制的分層鏈更好。同時，Wuffli還建議對新技術持謹慎態度。他說人們不應該高估技術的作用，投資者在投資加密技術之前必須對風險和回報做出正確的判斷，就像對待其他任何資產類別一樣。[2019/9/26]

以CircuitGenerator為例，C程序經過編譯器之后，編譯成TinyRAM的程序，再經過CircuitGenerator之后，生成電路，最后得到zkSNARK電路。

指令

TinyRAM支持29個指令，每條指令都通過1個操作碼和最多3個操作數指定。操作數可以是寄存器名稱或者立即數。除非另有說明，否則每條指令都不會修改flag，且將pc增加i，對于哈佛架構來說，i=1，對于馮諾依曼架構來說，i=2W/8。通常，第一個操作數是指令執行計算的目標寄存器，其他操作指定指令的參數。最后，所有指令都需要機器的一個周期來執行。

聲音 | 北郵教授：5G的本質是無限連接 將促進區塊鏈等技術的深入發展:據澎湃新聞消息，5月26日下午，2019中國國際大數據產業博覽會舉行“5G重構數字社會基礎生態”高端對話，中國信息經濟學會副會長、北京郵電大學教授呂廷杰在會上表示，5G循序漸進的發展一定會帶來一個完全不同的社會，它會使社會的效率更高，因此也會涉及到更大的安全問題。他指出，5G的本質是無限連接，連接產生了高價值的關鍵數據，未來的大數據會有全新的飛躍，將促進人工智能、區塊鏈等技術的深入發展，生產很多新的架構和生態，必將重構數字經濟的生態，在未來5-8年會滲透到生活的方方面面，也將改變10年以后的整個社會的游戲規則。[2019/5/26]

指令包含幾種類型，指令名稱和intelx86匯編指令類似，可顧名思義。

●位操作指令：

?and

?or

?xor

?not

●整數操作指令：

?add

?sub

?mull

?umulh

?smulh

?udiv

?umod

●shift操作指令：

?shl

政策 | 人民銀行副行長范一飛：要深入推進央行數字貨幣研發:據中國人民銀行消息，人民銀行黨委委員、副行長范一飛強調，要加大改革創新力度，深入推進央行數字貨幣研發，進一步完善紀念幣發行機制，探索多元化發行基金倉儲模式，推動鈔票處理業務轉型。四是著力維護現金流通秩序，繼續推動大額現金管理先行先試，建立整治拒收現金長效機制，健全現金機具管理機制，進一步推進反假貨幣工作重心前移，加強虛擬貨幣監測監管。[2019/2/22]

?shr

●比較操作指令

?cmpe

?cmpa

?cmpae

?cmpg

?cmpge

●move操作指令

?mov

?cmov

●jump操作指令

?jmp

?cjmp

?cnjmp

●內存操作指令

?store.b

?load.b

?store.w

?load.w

●輸入操作指令：

?read

●輸出操作指令:

?answer

匯編語言

TinyRAM的程序是由TinyRAM匯編語言編寫的，這個語言受Intelx86匯編語言語法啟發。程序是包含多行TinyRAM匯編代碼的文本文件。程序按照哈佛架構還是馮諾依曼架構的不同，第一行包含的字符串也不同：

?哈佛架構

“;TinyRAMV=2.000M=hvW=WK=K”

?馮諾依曼架構

“;TinyRAMV=2.000M=vnW=WK=K”

其中，W是十進制表示的字長，K是十進制表示的寄存器數量。程序文件中，其他每一行依次包含的內容需要滿足：

1.可選的空格。

2.可選的label，用于定義為引用其后的第一條指令。

3.可選的指令，由指令助記符，以及后面的操作數。

4.可選的空格。

5.可選的以分號;開始的注釋，到該行尾結束。

一個程序中，最多可以有2^W個指令。一個label只能定義一次，有點像高級語言中的變量。

示例代碼(https://github.com/scipr-lab/libsnark/blob/master/tinyram_examples/answer0/answer0.s)

為了滿足計算的需要，提高電路可滿足性的效率，TinyRAM增加了前導語。如果一個TinyRAM的程序以前導語的方式啟動，則說明該程序是個合適的程序。

上述的前導語：

?對于哈佛架構來說，I(i)=1*i，并且inc=1

?對于馮諾依曼架構來說，I(i)=2W/8*i，并且inc=W/8

前面的示例代碼，也遵循這樣的前導語寫法。

兩種架構的性能對比

TinyRAM的兩種架構，其設計區別在前面的“架構”部分介紹了，此處對比兩種架構的性能。

第一個圖表展示兩種架構產生的門數量。

l是指令數量，n是輸入大小，T是執行步數。

可以看出，前者的門數量和指令數量呈線性增加。后者改善很大，指令越多，改善的越大。

第二個圖表展示兩種架構在不同字長的曲線下，生成Keygenerator/prover/verifier的時間及proof大小。

可以看出，在80bit時，馮諾依曼架構相較于哈佛架構有較大提升，在128bit時，也有少許提升。

由上述表格數據可以看出，馮諾依曼架構的效率更高，這也是為什么馮依諾曼架構TinyRAM是后來在哈佛架構TinyRAM的基礎上提出的。

總結

我們講了TinyRAM的架構，設計，匯編指令等，介紹了它的優勢：可以用來便捷的進行非確定性計算。尤其在零知識證明系統中，有更多的發揮空間。最后介紹了兩種TinyRAM架構的性能對比，在生成的門數量和時間以及proof大小上，馮諾依曼架構都更勝一籌。

引用

http://www.scipr-lab.org/doc/TinyRAM-spec-2.000.pdf

https://www.cs.tau.ac.il/~tromer/slides/csnark-usenix13rump.pdf

http://eprint.iacr.org/2014/59

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