ARK:零知識證明 | Cairo 語言介紹

作者：NicLin，imToken資深區塊鏈工程師

本文受眾：區塊鏈開發者或零知識證明愛好者

Cairo是STARK證明系統的其中一個編程語言，讓開發者能透過Cairo來使用STARK，撰寫效能更高的DApp。

PhotobySimonBergeronUnsplash

Warning：本篇會保持在highlevel的介紹，實際深入的部分請見文內附上的文檔或是官方開發者文件。

背景介紹

建構于密碼學的零知識證明能提供計算的隱私性，但同時在區塊鏈生態系也被用來提升Scalability—我可以用10秒的運算資源來驗證原本耗費1000秒運算資源的計算過程如同更多人熟悉的SNARK，STARK也是一個零知識證明的證明系統，但當前的STARK著重的是在Scalability，而非大家比較習以為常零知識證明提供的隱私性特質其實目前基于SNARK的Rollup項目，例如zkSync、Loopring、Aztec、zkopru，除了Aztec外，其他都是利用SNARK來增加Scalability—這些Rollup上資料都還是公開、沒有隱私性的StarkWare是目前唯一基于STARK的開發團隊STARK要加上隱私保護不會太難，只是StarkWare還沒有把這項功能放在未來規劃中Cairo簡介

Aleo與Forte達成合作，以將零知識證明解決方案帶入鏈游:3月8日消息，零知識隱私應用平臺Aleo與區塊鏈游戲平臺Forte達成合作，旨在為鏈游帶來零知識證明解決方案，希望以此推動低成本交易。

Forte將使用Aleo的可擴展架構來解鎖新的游戲玩法深度，并構建更具包容性和沉浸式的游戲生態系統。Forte已經在使用Aleo的技術在多個游戲經濟中鑄造、轉移和交易NFT，以服務于現有的真實世界用例。

今年2月初，加密初創公司Aleo Systems Inc（簡稱Aleo）宣布完成2億美元B輪融資，SoftBank和Kora Management領投，Andreessen Horowitz（a16z）、Tiger Global、Samsung Ventures等參投。

去年5月，Forte獲得1.85億美元A輪融資，估值10億美元。此輪融資由風險投資基金Griffin Gaming Partners領投，Union Grove Venture Partners、Andreessen Horowitz（a16z）、Battery Ventures、早期風險投資公司Canaan等參投。（VentureBeat）[2022/3/9 13:45:18]

標榜為圖靈完備的零知識證明系統語言，Cairo對原本熟悉Solidity的開發者來說還是會感到比較難上手和陌生的。再加上套件庫還不夠充足，目前支援的雜湊函式是Pedersen，數位簽章演算法是ECDSA。

零知識證明系統Bulletproofs+代碼獲準可在門羅幣協議中使用:12月30日，門羅幣發推宣布，零知識證明系統Bulletproofs+的代碼現已獲得許可，可在Monero協議中使用，以替代現有的Bulletproofs零知識證明系統。新系統將使得門羅交易結構變得更小，錢包交易速度更快以及網絡驗證速度更快。此外，官方表示，該代碼具有功能性并包括對基礎算法的測試，若考慮將來在門羅幣網絡升級中進行部署，則應該由第三方進行審核。[2020/12/30 16:04:23]

但Cairo還在早期開發的階段，相信開發體驗會越來越好的。

另外需要注意的是作為一個證明系統，會有Prover和Verifier的角色。而STARK的Verifier是開源的，但Prover軟體預計會有License保護。Prover一般情況下不得用于商業用途，除非將proof上傳至官方的Verifier。

CAIRO字母分別代表的意思是

C:CPUAIR:AlgebraIntermediateRepresentationO:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemallC和AIR因為比較偏撰寫零知識證明應用的細節和經驗所以會跳過，但O:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemall代表的是：任何使用Cairo寫的程式都能用同一個Verifier來驗證，每個應用不再需要產生自己也只有自己能用的Verifier合約。

FMex已完成零知識證明開發工作:據了解，FMex目前已完成零知識證明開發工作，平臺啟動運營時將同步上線。通過零知識證明可實現平臺資產數據公開透明，不可偽造。屆時社區用戶可通過開源工具驗證資產數據。[2020/5/26]

開發者不需要對自己的應用跑trustedsetup，也不需要煩惱Verifier的部分，如果你有開發過基于SNARK的應用的話你會更有感覺。

最后要提及的是，第一版的Cairo是設計來方便開發者將DApp的運算遷移至鏈下。不同于Rollup，這個鏈下只會有它自己一個DApp。這個DApp的項目方自己維護自己DApp的state。

這可能有點難懂。如果你有在寫Solidity，想像一下今天你在合約要用到合約里宣告的storage變數時，你要自己提供merkleproof上來，證明這個storage變數真的是這個值。這個就是開發者要自己維護state的意思。

而第二版的Cairo則是StarkNet里使用的Cairo，這版的Cairo就是作為DApp在Rollup開發所使用—開發者可以在合約里宣告變數，變數的值不需開發者維護，可以直接假設存在。

動態 | 德勤在其企業區塊鏈產品中增加了零知識證明隱私技術:據Coindesk消息，專業服務巨頭德勤（Deloitte）在其企業區塊鏈產品Eduscrypt平臺中增加了零知識證明隱私技術。德勤在近日官方活動時宣布與以色列的零知識證明專家QEDIT合作，幫助用戶通過區塊鏈技術方式分享自己獲得的證書和資格數據。[2019/10/29]

注1：StarkWare不喜歡Rollup這個詞，他們覺得DataAvailability的需求是一段光譜：不一定得要把data全都送上L1，中間有其他方式可以做不同層級的DataAvailability。

注2：第一版和第二版實際上在官方版本里是0.0.1及0.0.2，在撰文當前最新版即是0.0.2。

官方網站：https://www.cairo-lang.org?

開發者文件：https://www.cairo-lang.org/docs/?

開發環境

Cairo有提供像是Remix的瀏覽器IDE：playground。里面提供各種范例練習和挑戰，除了可以編譯，還可以直接生成并上傳proof。

動態 | 德勤在企業區塊鏈產品中添加零知識證明隱私技術:德勤（Deloitte）周二在阿姆斯特丹舉行的ZKProof社區活動上宣布，已在其企業區塊鏈產品中增加了零知識證明隱私技術。德勤與以色列的零知識證明專家QEDIT合作，幫助用戶控制區塊鏈共享有關他們所獲得的證書和資格的數據。（coindesk）[2019/10/29]

注：但有些功能還是沒辦法在playground里使用，例如要給你的程式custominput時。這時候只能在本地端開發才能使用這個功能。

開發Cairo要先安裝python，我將開發者文件整理出來的資料統整在這個hackmd文檔里：https://hackmd.io/w690dpAQTsKeKZv3oikzTQ

里面包含簡介、設置本地開發環境以及Cairo基礎

注：我把開發者文件里的代碼整理到這里：https://github.com/NIC619/cairo_practice/tree/master/practices

如果不想在研究開發者文件過程中，還要自己手動拼湊里面例子的話，可以直接用整理好的代碼來執行。同時repo里還有包含一些額外自己測試Cairo功能的范例。

深入Cairo

在那份hackmd文檔里的開頭，可以連結到第二部分—深入Cairo的部分。里面也是從開發者文件里擷取出來我覺得比較重要的部分。如果你要讀開發者文件的話，我建議從HelloCairo開始，它會從例子切入，會比較好知道Cairo怎么使用。接著如果要更深入了解，再去讀HowCairoWorks。

StarkNetCairo

第二版的Cairo其實功能和第一版的Cairo是差不多的，所以不必擔心在開發者文件里學到的Cairo在StarkNet版本會不能用或差很多。在讀完HelloCairo/HowCairoworks后，就可以接著看HelloStarkNet。會很順利的切換到StarkNet版本的Cairo。

注1：我整理的文檔里是按照第一版Cairo所寫的

注2：如果你從開發者文件一路看下來，體驗過非StarkNet版的Cairo，那你在體驗StarkNet版的Cairo時一定會發現這更像一般智能合約的使用方式—你可以用view函式查詢storage變數，可以用external函式去執行合約。

非常建議嘗試兩種版本的Cairo，你會知道1.操作一個單獨在L2的DApp和2.操作與其他DApp共存在Rollup上的DApp的不同。這對了解L2怎么運行、需要哪些資料、為什么需要這些資料非常有幫助。

0.0.2版的StarkNetCairo目前還缺少一些功能：

函式還沒辦法宣告陣列或struct型態的參數合約和合約之間還沒辦法互動L1沒有辦法讀取到L2的資料，L2也沒辦法讀取到L1的資料。如果要建立跨L2Bridge，這個功能非常重要。補充及個人心得

STARK的proofsize相比于SNARK系列的proofsize大很多，又其證明所包含的交易數量對proofsize和驗證時間的影響不大，所以把很多筆交易一并做一個proof會是對STARK非常有利、節省成本的方式。但這同時也是一個缺點，如果你的DApp或Rollup的TPS不高，那就只能等更久時間搜集多一點的交易，要不然就只能提高成本來維持驗證proof的頻率。

StarkWare和zkSync一樣都有Rollup宇宙的概念，個人覺得能夠有選擇是會比只有一個選擇還好的方式，但實際上的可行性就要等其團隊釋出更多的資訊。

在Rollup越趨成熟的情況下，能夠提供快速跨Rollup服務的流動性提供者的角色會越來越重要。zkRollup比OptimisticRollup有著短上許多的finalize時間，這對降低流動性提供者的風險有很大的幫助，但目前zkRollup支援合約功能甚至L1<->L2互動的完成度都比OptimisticRollup還低上許多。短期內快速跨Rollup的服務應該還是局限在OptimiticRollup之間。

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