Sin7y团队解读：关于在 ZKEVM 中移除内存限制的一些想法

ZKEVM是一个具有可编程性，以ZK技术为基础的虚拟机，它可以为虚拟机执行的所有操作生成一个零知识证明，用来证明虚拟机执行操作的正确性。有关ZKEVM的几种实现方案介绍及优劣对比，可以参考V神的文章：ThedifferenttypesofZK-EVMs；如果你想了解更多的设计细节，你也可以阅读PSE的ZKEVM方案(native-level)：privacy-scaling-explorations/zkevm-specs?Polygon的ZKEVM设计(bytecode-level)：?PolygonzkEVMDocumentation；Sin7y的ZKEVM设计(language-level)：OlaVM:AnEthereumcompatibleZKVM。

无论是哪种方案，都需要用zk去约束VM的所有的行为，这些行为包括：

?执行合约计算逻辑

??执行内存访问

??执行哈希计算

??执行世界状态更新

??...

众所周知，zk在计算压缩领域，具有极大的应用的前景；无论原始的计算多么复杂，其验证过程都十分高效，这是所有zk算法的基本技能。因此，对于VM执行过程中的计算部分，zk可以很好的发挥作用；而在VM执行的过程中，除了计算本身外，还存在一些内存访问操作，我们需要把一些数据提前放在内存里，然后在执行计算的时候取出来。

FCA警告不要信任网上的加密货币和股票KOL:9月7日消息，英国金融行为监管局 (FCA) 已警告英国人不要听从网络上的加密货币和外汇交易KOL的财务建议。据报道，YouTube和TikTok上的金融KOL一直在利用生活成本危机说服观众尝试加密货币和基于应用程序的股票交易。

FAC发言人说：我们一直在与政府合作，以确保将金融内容纳入在线安全法案，这意味着科技和社交媒体公司将需要在帮助保护消费者方面发挥作用。此前英国监管机构一直强烈警告不要推广加密资产和其他风险投资。

FCA在8月宣布，它已经制定了更强硬的规则，来管理以低收入投资者为目标的、承诺获得巨额回报的高风险投资。（UKtech.news）[2022/9/7 13:14:21]

而由于大部分的VM都是读写内存，因此不得不约束这些内存访问操作的正确性；对于内存访问的约束本身并不复杂，但是由于内存访问的次数很高，所以导致多项式的阶数很高，使得内存相关的约束证明耗时比较可观。

在ZK(E)VM的方案中，我们更应该把zk主要应用在对于计算本身的证明，对于EVM的其他行为，我们可以在VM层面去优化，以减少zk约束的规模。

Memory的设计

A股收盘：深证区块链50指数下跌0.5%:金色财经消息，A股收盘，上证指数报3277.88点，收盘上涨0.05%，深证成指报12470.11点，收盘上涨0.08%，深证区块链50指数报2891.71点，收盘下跌0.5%。区块链板块收盘上涨0.25%，数字货币板块收盘下跌0.16%。[2022/8/16 12:28:45]

以EVM为例，EVM的内存是一块很简单的字节数组，可以存储32字节或者1字节的数据，也可以读取32字节的数据。

图片来源：ethereum_evm_illustrated,page51

在EVM中，和Memory相关的指令有：

???MLOAD(x):从地址x处加载32字节的数据到调用栈(stack)

???MSTORE(x,y):从地址x开始，写入32字节的y

发送比特币到交易所的7日平均地址数创11个月新低:6月27日消息，Glassnode数据显示，发送比特币到交易所的7日平均地址数（7d MA）降至4639个，创11个月来新低。[2022/6/27 1:33:35]

???MSTORE8(x,y):从地址x开始，写入8字节的y(低位开始)

有兴趣的读者可以在EVMPlayground上感受下，上述内存操作带来的内存和栈的变化。

Memory的约束

在OlaVM的5.3.5节，你可以看到关于Memory约束的设计原则(OlaVM内存相关的指令和EVM类似)。

在OlaVM中，RAM的所有操作组成一个独立的table，table里的内容由memory和storage两种类型组成。在这里，我们只关注对于memory的约束。

数字藏品周指数上涨至165.9点:金色财经报道，据同伴客数据显示，上周（2022年6月13日-6月19日）国际周指数上涨3.65点至27.5点，国内周指数大幅回升152.0点至373.7点，数字藏品综合价值周指数则上升63.0点至165.9点。

备注：数字藏品综合价值指数是对国际及国内当月市场热度最高的数字艺术品项目市场总销售规模的综合反映，以2021年11月份销售额的30分之7为基数，指数基值为100。该指数由同伴客数据与链境Labs联合研发。[2022/6/20 4:40:49]

内存的操作类型大体可以分为三类：

??Init操作

??write操作

??read操作

触发Init的场景有三种，分别是ctx的变换，type的变化，addr的变化；当任何一个场景触发时，需要约束，操作类型为w(write)，v(value)为0。

当上述三种场景没有触发时，则需要根据当前的操作类型来约束；

??如果是w(write)操作，需要约束clk是递增的，写入的值v是对的。

??如果是r(read)操作，需要约束clk是递增的，读取的值和上次写入的值是相同的。

亚马逊副总裁：更关注开发影响现实世界的技术，而不是所谓的元宇宙:金色财经报道，在《华尔街日报》(The Wall Street Journal)举办的“万物未来节”(Future of Everything Festival)会议上，亚马逊高级副总裁David Limp表示，亚马逊当前致力于拓展旗下各种设备的能力，比如家用机器人和环境计算，亚马逊公司更多地关注开发能影响现实世界的技术，而不是所谓的元宇宙。David Limp 解释说：“我确实发自内心地认为，我们希望改善当下的现实体验，我觉得这也是亚马逊公司为之投入大量时间的方面。我想试着开发出能让人们不再沉迷数字设备的技术，让人们享受现实世界。”[2022/5/21 3:32:21]

一些可能性的提升

??对于Init操作，需要约束一个内存地址的初始化的值为0么？

我认为没有必要对初始化的操作进行约束；实际上，对于任何地址，你可以约束它的第一次访问必须是write操作，而不是read操作；而如果是write-once内存模型，这个限制将天然存在，因此，如果虚拟机的内存模型改为write-once模型，将减少对内存的访问约束。

??对于read操作，能否避免对应的约束，即避免校验读取的值和上次写入的值一致？

由于VM本身定义的memory类型的读写内存，无法保证，VM在读取这个内存地址的值之前，这个地址的值没有被修改，因此需要增加一个相等性校验，如下图所示：

由此可以看出，产生这个约束的核心原因，内存模型是读写内存，地址的值存在被改写的可能，因此，如果尝试使用只读内存，那么就不需要在memory的约束去实现上述的一致性约束。

注意：这可能会增加虚拟机的实现难度，因为这是一个不常用的内存模型；并且，我们应该不会首先在这个虚拟机上面去定义一个高级DSL，因为这个语言对Dapp开发者会有些不友好，需要在编译器层面去消除，使得这些不友好，对开发者不可见。

所以，如果采用上述内存模型，内存模块的约束，将只剩下针对write操作的约束，即使用copyconstraints来保证写入的值是对的即可。无须约束：

??读取的值等于写入的值，因为内存只能被写一次

??读的clk大于写的clk，因为只能先写再读

??内存的初始化值为0

参考

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

关于我们

Sin7y成立于2021年，由顶尖的区块链开发者和密码学工程师组成。我们既是项目孵化器也是区块链技术研究团队，探索EVM、Layer2、跨链、隐私计算、自主支付解决方案等最重要和最前沿的技术。

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来源：金色财经

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