MEM:Sin7y團隊解讀：關于在 ZKEVM 中移除內存限制的一些想法

ZKEVM是一個具有可編程性，以ZK技術為基礎的虛擬機，它可以為虛擬機執行的所有操作生成一個零知識證明，用來證明虛擬機執行操作的正確性。有關ZKEVM的幾種實現方案介紹及優劣對比，可以參考V神的文章：ThedifferenttypesofZK-EVMs；如果你想了解更多的設計細節，你也可以閱讀PSE的ZKEVM方案(native-level)：privacy-scaling-explorations/zkevm-specs?Polygon的ZKEVM設計(bytecode-level)：?PolygonzkEVMDocumentation；Sin7y的ZKEVM設計(language-level)：OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM。

無論是哪種方案，都需要用zk去約束VM的所有的行為，這些行為包括：

?執行合約計算邏輯

??執行內存訪問

??執行哈希計算

??執行世界狀態更新

??...

眾所周知，zk在計算壓縮領域，具有極大的應用的前景；無論原始的計算多么復雜，其驗證過程都十分高效，這是所有zk算法的基本技能。因此，對于VM執行過程中的計算部分，zk可以很好的發揮作用；而在VM執行的過程中，除了計算本身外，還存在一些內存訪問操作，我們需要把一些數據提前放在內存里，然后在執行計算的時候取出來。

穩定幣協議Lybra Finance TVL接近1 億美元:金色財經報道，LSD穩定幣協議Lybra Finance鎖定總價值 (TVL) 在過去兩周內飆升近 400%，截至周五接近 1 億美元。CoinGecko 數據顯示，LBR 是 Lybra Finance的原生代幣，在過去 24 小時內上漲了 33.8%，在過去 7 天內上漲了 173%，達到 2.23 美元。[2023/5/27 9:45:17]

而由于大部分的VM都是讀寫內存，因此不得不約束這些內存訪問操作的正確性；對于內存訪問的約束本身并不復雜，但是由于內存訪問的次數很高，所以導致多項式的階數很高，使得內存相關的約束證明耗時比較可觀。

在ZK(E)VM的方案中，我們更應該把zk主要應用在對于計算本身的證明，對于EVM的其他行為，我們可以在VM層面去優化，以減少zk約束的規模。

Memory的設計

以EVM為例，EVM的內存是一塊很簡單的字節數組，可以存儲32字節或者1字節的數據，也可以讀取32字節的數據。

BTC最后活躍1年以上的供應百分達到歷史新高:金色財經報道，據Glssnode數據顯示，BTC最后活躍1年以上的供應百分比剛剛達到66.974%的歷史新高。[2023/2/22 12:21:09]

圖片來源：ethereum_evm_illustrated,page51

在EVM中，和Memory相關的指令有：

???MLOAD(x):從地址x處加載32字節的數據到調用棧(stack)

???MSTORE(x,y):從地址x開始，寫入32字節的y

???MSTORE8(x,y):從地址x開始，寫入8字節的y(低位開始)

有興趣的讀者可以在EVMPlayground上感受下，上述內存操作帶來的內存和棧的變化。

Memory的約束

在OlaVM的5.3.5節，你可以看到關于Memory約束的設計原則(OlaVM內存相關的指令和EVM類似)。

阿聯酋通過新的聯邦虛擬資產法，建立對加密貨幣領域的初步監管制度:金色財經報道，阿拉伯聯合酋長國 (UAE) 通過了一項管理虛擬資產的新法律，在聯邦層面建立了該國對加密貨幣領域的初步監管制度。

總部位于阿聯酋的加密和區塊鏈律師Irina Heaver解釋說，此舉有幾個影響。根據Heaver的說法，新法律確保從事加密活動的實體必須獲得新監管機構的許可和批準。不遵守規定可能會導致巨額罰款，沒收利潤，甚至由檢察官進行刑事調查。該法律預計將于1月14日生效，并將要求在該國經營的加密貨幣企業家遵守。在阿聯酋運營的每個加密和Web3項目都必須構建一種方式來遵守新的聯邦法律和所有現有法律。[2023/1/14 11:11:19]

在OlaVM中，RAM的所有操作組成一個獨立的table，table里的內容由memory和storage兩種類型組成。在這里，我們只關注對于memory的約束。

內存的操作類型大體可以分為三類：

??Init操作

??write操作

??read操作

馬斯克：對于Twitter來說，使用法定貨幣和加密貨幣方面擁有支付功能是非常簡單的:金色財經報道，Bitcoin Archive在社交媒體上稱，Elon Musk表示，控制貨幣體系比控制言論更重要。我們必須非常小心誰控制貨幣體系。PayPal似乎正朝著社會信用和審查制度的方向發展，這令人不安。法幣系統變得越糟糕，加密貨幣就會增長得越多。對于Twitter來說，支付是一件很簡單的事情，無論是法定貨幣還是加密貨幣。[2022/12/4 21:20:58]

觸發Init的場景有三種，分別是ctx的變換，type的變化，addr的變化；當任何一個場景觸發時，需要約束，操作類型為w(write)，v(value)為0。

當上述三種場景沒有觸發時，則需要根據當前的操作類型來約束；

??如果是w(write)操作，需要約束clk是遞增的，寫入的值v是對的。

??如果是r(read)操作，需要約束clk是遞增的，讀取的值和上次寫入的值是相同的。

一些可能性的提升

??對于Init操作，需要約束一個內存地址的初始化的值為0么？

Aptos鏈上總交易數突破500萬筆:10月20日消息，據歐科云鏈OKLink Aptos瀏覽器數據顯示，當前Aptos主網鏈上總交易數已突破500萬筆，總交易數為5,145,808筆。

據悉，歐科云鏈OKLink多鏈瀏覽器已上線Aptos瀏覽器及Aptos生態項目庫，累計收錄超100個項目。[2022/10/20 16:32:07]

我認為沒有必要對初始化的操作進行約束；實際上，對于任何地址，你可以約束它的第一次訪問必須是write操作，而不是read操作；而如果是write-once內存模型，這個限制將天然存在，因此，如果虛擬機的內存模型改為write-once模型，將減少對內存的訪問約束。

??對于read操作，能否避免對應的約束，即避免校驗讀取的值和上次寫入的值一致？

由于VM本身定義的memory類型的讀寫內存，無法保證，VM在讀取這個內存地址的值之前，這個地址的值沒有被修改，因此需要增加一個相等性校驗，如下圖所示：

由此可以看出，產生這個約束的核心原因，內存模型是讀寫內存，地址的值存在被改寫的可能，因此，如果嘗試使用只讀內存，那么就不需要在memory的約束去實現上述的一致性約束。

注意：這可能會增加虛擬機的實現難度，因為這是一個不常用的內存模型；并且，我們應該不會首先在這個虛擬機上面去定義一個高級DSL，因為這個語言對Dapp開發者會有些不友好，需要在編譯器層面去消除，使得這些不友好，對開發者不可見。

所以，如果采用上述內存模型，內存模塊的約束，將只剩下針對write操作的約束，即使用copyconstraints來保證寫入的值是對的即可。無須約束：

??讀取的值等于寫入的值，因為內存只能被寫一次

??讀的clk大于寫的clk，因為只能先寫再讀

??內存的初始化值為0

參考

1.ThedifferenttypesofZK-EVMs:

https://vitalik.ca/general/2022/08/04/zkevm.html

2.privacy-scaling-explorations/zkevm-specs:

https://github.com/privacy-scaling-explorations/zkevm-specs

3.PolygonzkEVMDocumentation:

https://docs.hermez.io/zkEVM/Overview/Overview/

4.OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM:

https://olavm.org/whitepaper/OlaVM-07-25.pdf

5.EVM:

https://ethereum.github.io/yellowpaper/paper.pdf

6.ethereum_evm_illustrated,page51:

https://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf

7.EVMPlayground:

https://www.evm.codes/playground

8.OlaVM:

https://olavm.org/whitepaper/OlaVM-07-25.pdf

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來源：金色財經

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