CAI:零知識證明 | Cairo 語言介紹_ARK

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

螞蟻鏈隱私協作平臺AntChain FAIR引入基于零知識證明的可驗證計算技術:7月8日消息，在2023世界人工智能大會全球區塊鏈產業高峰論壇上，螞蟻鏈宣布隱私協作平臺AntChain FAIR進行全新架構升級，引入零知識證明（ZKP）為核心的可驗證計算技術，從可信數據流轉拓展到計算過程、數據屬性以及身份的可驗證。此外螞蟻鏈FAIR在可信計算架構中加入新型零知識證明虛擬機zkWASM，實現指令級別的可證明特性，可以依托 WASM 多語言生態將多種前端語言編寫的算法程序進行證明轉化，而無需關心底層復雜的算法細節，提升開發應用的友好性。

FAIR 是螞蟻鏈面向數據流轉推出的隱私協作平臺，綜合了區塊鏈和隱私計算的優勢，協作流程由智能合約驅動，數據流轉由隱私計算引擎來解決，并通過區塊鏈技術確權，登記和交易共識，可以解決數據流通過程中，數據共享與隱私保護之間的天然矛盾。目前 FAIR 已經在杭數交、貴數所等多家數據交易所得到應用。[2023/7/8 22:25:31]

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。

零知識證明技術開發公司StarkWare推出第一個公開版本Cairo 1.0:1月6日消息，零知識證明技術開發公司 StarkWare 宣布推出第一個公開版本的 Cairo 1.0，Cairo 于 2020 年作為圖靈完備的編程語言首次推出，用于高效編寫 STARK 可證明的程序。Cairo 1.0 中最重要的變化之一是語法，新版本的 Cairo 允許編寫更安全的代碼。Cairo 1.0 還引入了 Sierra，這是一種新的中間表示，可確保每次 Cairo 運行都可以得到證明。StarkWare 表示，預計在接下來的幾周內，提供與舊版本相同的 Cairo 1.0 功能，對 StarkNet 合約的支持將在即將到來的 StarkNet Alpha 版本中加入。[2023/1/6 10:24:18]

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。

波卡聯合創始人：財政部很快將為零知識擴展和網絡基礎設施發展提供巨額資金:1月23日消息，波卡聯合創始人Robert Habermeier發推表示，Polkadot財政部可能很快就會為進一步發展零知識擴展和網絡基礎設施提供巨額資金。Exit-to-DAO作為一種商業模式將是2022年及以后的決定性變化。[2022/1/23 9:08:17]

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。

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。

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]

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 | 平安旗下金融壹賬通展示運用區塊鏈技術的3D零知識驗證技術:8月29日，在2019世界人工智能大會上，平安旗下金融壹賬通展示運用區塊鏈技術的3D零知識驗證技術。該技術可以在保證隱私的前提下實現“數據可用”，解決AI模型訓練中大量數據涉及的隱私問題，廣泛應用于供應鏈金融、貿易融資、經營投資等場景中。[2019/8/30]

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。

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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