简介
零知识证明，特别是zk-SNARK(SuccinctNon-interactiveArgumentsofKnowledge)可能是Web3前沿最重要的技术之一。虽然该子领域的大多数媒体和投资的关注都集中在zk-Rollup上，这种扩展解决方案为以太坊等L1区块链提供了巨大的可扩展性，但这绝不是zk-SNARK的唯一应用。在这篇文章中，我们将深入分析零知识汇编代码(或zkASM)的概念，评估它在zk-Rollup和其他领域的用例，探索它在重新发明我们所知道的互联网方面的理论可能性。
技术原理
zk-ASM，顾名思义，主要包含两个技术部分：zk和ASM。zk部分指的是zk-SNARK，而ASM部分指的是汇编代码。要理解zk-ASM的潜力，我们必须首先理解这两个看似神秘的概念的理论基础。
zk-SNARK
zk-SNARK是zk-Proof皇冠上的宝石：它们是一种简洁的证明，证明某个陈述是正确的，在证明时没有透露任何关于被证明数据的信息。例如，假设某人断言“我知道一个m使得C(m)=0”，其中m是一个千兆字节长的消息，C是一个函数。zk-SNARK将是一个非常简短的证明(<1GB)，可以快速验证，并且不会透露任何关于m的信息(除了公开可用的信息)。
那么C(m)到底是什么？它有什么用？这个函数实际上是一个算数电路，或者是我们想要执行的特定函数的有向无环图(DAG)表示，如图所示。“m”本质上是进入电路的输入数据，电路中的特定“节点”是单独的逻辑门或算数运算。例如，“+”节点可能有“2”和“3”作为输入，并将“5”输出到下一个运算符。因此，可以在“算数电路”中对任意算数或逻辑运算进行编码。
观点：Web3被认为是气候变化问题的潜在解决方案:金色财经报道，大洋洲地区小岛屿国家基里巴斯和马尔代夫面临残酷的气候变化。Web3被认为是气候变化问题的潜在解决方案。可以肯定的是，它并没有所有的答案，但它可以是一个有用的工具。特别是对岛国而言，Web3为发行可创收的气候资产、为气候项目寻找新的资金来源，以及最终从世界上最大的污染者那里建立一个可持续的财富转移系统提供了机会。(forkast)[2023/7/14 10:54:41]
算数电路的例子。资料来源：https://cs251.stanford.edu/lectures/lecture14.pdf
一旦我们有了这个算数电路作为我们想要运行zk-SNARK的代码的表示，我们就可以开始构建这个zk-SNARK了。从根本上说，因为“代数基本定理”，使得zk-SNARK是可能的，该定理指出，一个“d”次多项式最多有“d”个根。数学技巧分为两个步骤:(1)以某种方式将我们想要证明的函数“f(m)”转换为一个多项式(并坚持下去)，(2)使用“代数基本定理”与多项式相互作用，并提供一个简洁的证明。在技术术语中，第一部分被称为“PolynomialCommittmentScheme”(PCS：多项式承诺方案)，第二部分被称为“PolynomialInteractiveOracleProof”(PIOP)。
观点：以太坊“合并”后gas费用不会降低，但Staking收益会大幅增加:金色财经报道，据DeFi交易员Vivek Raman在社交媒体分析称，与许多人预期的不同，以太坊“合并”后gas费用并不会降低。Vivek Raman解释说，以太坊gas费用过高因为区块需求增加，而不是因为“共识机制”，而“合并”的目标则是弃用以太坊工作量证明共识机制，因此用户想要降低gas费用可以使用Layer 2来减少成本。此外，Vivek Raman预计“合并”后ETH Staking收益至少会增加50%，而目前的Staking收益约为4.2%，验证者也能获得交易费用收入。最新数据显示，当前以太坊信标链总质押量已达到13,682,717 ETH，验证者总量约为40.6万。.[2022/7/14 2:11:44]
通用电路的有效SNARK的组成部分。资料来源：https://cs251.stanford.edu/lectures/lecture15.pdf
虽然PCS和PIOP的具体实现超出了本文的范围，但到目前为止，我们已经获得了zk-SNARK核心步骤的粗略草图:
想运行zk-SNARK，就需要有一个函数的选择(代码函数，数学方程等)；将此函数编码为算数电路C(m)；运行PCS得到该算数电路的多项式表示；运行PIOP以获得原始“m”大小的对数的简洁证明。我们有一个定制的zk-SNARK可以证明某人知道某个信息而不用透露信息是什么。
观点：比特币可以帮助环境移民旅行和定居:比特币支持者、金融分析师Max Keiser发推称，由于全球生态系统变得越来越难以预测，有时对人类也越来越不友好，人为造成的气候变化越发严重。环境移民已经开始寻找环境更好的地方居住，而比特币可以帮助他们旅行和定居，因为比特币现在在欧洲、亚洲和美国的许多地方都被接受了。他声称，黄金也可以用于同样的目的，但比特币更容易携带和大量运输。此外，BTC不能被当局没收，也不能被强盗取走。（U.Today）[2020/8/22]
汇编代码
zk-ASM的第二个难题是汇编代码的思想。汇编代码是一种包含非常低级语言指令的类语言，机器很容易阅读，但人类很难破译。与Python、Java等高级语言不同，汇编语言包含非常原始的函数，例如会在处理器和硬编码内存位置上的一系列数据寄存器上移动、比较、添加和跳转。例如，在屏幕上打印数字1到9的Python代码为123456789:
下面是它的x86汇编版本：
对这么简单的操作来说，其实变得更麻烦了。那么为什么还要使用汇编语言呢？如上所述，虽然这些指令对人类来说可能不容易阅读，但它们很容易“组装”到110011001字节码中，供机器读取和执行(这称为汇编程序)。相对而言，Python和Java等高级语言更易于阅读，但用这些语言编写的程序不能直接由处理器执行。相反，我们需要依赖于一个“编译器”，它咀嚼我们编写的Python或Java代码，并吐出一堆汇编代码，然后由机器组装和执行。我们可以期望同一段Python或Java在不同的处理器和不同的操作系统上平稳运行，因为编译器完成了繁重的工作，将源代码编译为特定于该处理器或操作系统的汇编语言。
观点：美国在数字美元方面进度落后于其他国家 中央银行货币垄断权遇挑战:CFTC前委员、现任纽约证券交易所所有者洲际交易所（Intercontinental Exchange）董事会成员的沙龙·鲍恩（Sharon Bowen）周三说：“当看看其他国家的情况时，美国在数字美元方面落后了。”在咨询公司埃森哲组织的网络研讨会上。世界经济论坛区块链负责人希拉·沃伦（Sheila Warren）说：“美国来数字美元方面晚了，但还能够追赶。”数字资产投资公司CoinShares的首席战略官梅尔特姆·德米洛尔斯（Meltem Demirors）通过电子邮件说：“中央银行面临着一个挑战性的新范式，即不再拥有对货币的垄断权。”他补充说，“政府正在努力寻找一个中间点。通过这些新的数字方式实现创新，同时最大程度地减少和金融犯罪。”（福布斯）[2020/7/22]
因为所有语言都可以编译成汇编代码(汇编代码本身可以编译成可执行的二进制代码)，所以汇编程序本质上就像“所有语言之母”。现在假设我们能够将汇编语言(如x86或RISC-V)中的所有操作数转换为一种算数电路表示，这样我们就能够提供这种汇编语言中所有操作数的zk-SNARK证明。这意味着理论上我们能够提供任何用任意高级语言(如Python或Java)编写的程序的zk-SNARK，这些程序可以编译成汇编语言。这就是为什么我们需要考虑zk-ASM。
实际应用
金色沙龙 | 燕丽：零知识证明对于协调区块链底层扩容也有很大帮助:在今日举行的《隐私计算——区块链信息安全守护者》为主题的金色沙龙中，算力智库创始人燕丽表示，2020年1月1日，中国首部《中华人民共和国密码法》将正式开始实施，而在这之前一直只有一部 2007年4月23日公布的《商用密码产品使用管理规定》和《境外组织和个人在华使用密码产品管理办法》。很多人把这次《密码法》和2019年“1024”中央把区块链技术作为国家战略联系在一起。区块链技术是完全基于密码学技术，所以按照这个逻辑，如果政府要完全掌控未来区块链技术的发展，首先就要完全掌控密码学技术，而这个其中的核心是国家主权范围之间在所有的通信安全和商业行为之间军备竞赛的升级。区块链有大量扩容压力，而为了达到这个操作，必然要牺牲系统处理效能和部分隐私。但矛盾的是，区块链前期的应用场景如虚拟货币，数字金融等，都需要有更好的隐私保护和不容易被恶意攻击的防护。所以若想让区块链技术落地生根，那么提高区块链底层技术来满足对于高安全性(含高完整性和高保密性)、高性能、高广义效率的要求，也许是个稳妥做法。所以隐私计算中的零知识证明等对于协调区块链底层扩容也有很大帮助。[2020/4/15]
zk-EVMRollup：Polygonzk-ASM
zk-ASM最重要的应用之一是创建与以太坊虚拟机兼容的zk-Rollup，或zk-EVM。zk-EVM对于区块链的可扩展性非常重要，因为它允许程序员部署在基于zk-Rollup的L2链上，而无需修改太多(如果有的话)他们的代码]。在这个领域，Polygon的zk-EVM是一个典型的案例研究，它展示了如何使用zk-ASM来实现这一目标。
EVM和Polygonzk-EVM技术栈的比较。来源：OriginalContent
当程序员在以太坊L1区块链上开发时，他们通常使用Solidity进行编码。这种Solidity代码在执行前会被编译成一系列EVM操作码，如ADD、SLOAD和EQ。默认情况下，这个过程显然不会创建任何类型的zk-Proof。Polygon的诀窍是创建一个方法，将每个EVM操作码解释为它们自定义编写的zk-ASM，这对zk-SNARK非常友好。然后，他们的L2zk-EVM将执行zk-ASM，同时还创建ASM的zk-SNARK电路，以创建zk-SNARK证明。例如，EVM中的ADD操作码将被翻译成Polygon的zk-ASM，如下图：
EVMADD操作码的Polygonzk-ASM解释示例。资料来源：https://wiki.polygon.technology/docs/zkEVM/zkASM/some-examples
因为Polygonzk-EVM的招数在汇编级别上，它从普通以太坊程序员接触的代码中删除了两个级别，即“Solidity”级别。这就是为什么大多数开发人员可以将他们为以太坊主网构建的EVM代码直接移植到Polygonzk-EVM的原因。此外，由于Polygonzk-EVM将以太坊的技术堆栈“保持”到操作码级别，所有依赖于分析编译的操作码的调试基础设施都将保持可用和完整。这与其他一些zk-EVM设计不同，例如zkSync，后者不提供操作码级别的zk-Proof。因此，即使Polygon发明并证明了自己的汇编语言，Vitalik写道:“它仍然可以验证EVM代码，它只是使用了一些不同的内部逻辑来完成它。”
超越Rollup：zk-WASM
zk-EVM绝不是zk-ASM的唯一应用程序。回想一下我们之前的断言，汇编语言本质上是“所有语言之母”，并且zk-ASM的创建将为用任何编译成该汇编语言的语言编写的通用程序解锁zk-Proof。WebAssembly，或称WASM，是最重要的新兴汇编语言之一。WASM于2018年首次发布，其目的是创建一种汇编语言，以提高Web应用程序的执行速度，并为Javascript(Web背后的主要编码语言)提供执行补充。
从本质上讲，随着Web多年来的发展，Web应用程序的规模和复杂性不断增长，这意味着浏览器编译用Javascript编写的所有内容的速度通常非常慢，并且必须依赖复杂的编译-优化-重新加载周期。另一方面，WebAssembly通过提供可移植的、模块化的、易于执行的汇编语言，消除了对复杂浏览器执行引擎的依赖。此外，作为一种汇编语言，WASM允许程序员直接用C语言、C++、Rust、Java或Ruby编写在浏览器中本机运行的代码片段。因此WASM已成为“提供分布式无服务器功能”的首选技术。
那么zk-SNARK为什么会出现，又是如何出现的呢？WASM的独特之处在于它是一种客户端技术，能够直接与用户输入和数据交互。因为这通常包括敏感数据，如密码和个人信息，我们需要一种技术:(1)确保程序正确执行，(2)我们的敏感信息不会被泄露。如上所述，zk-SNARK是解决这两个问题的完美解决方案，因此是确保WASM安全的重要拼图。
虽然开发zk-WASM的工作仍处于早期阶段，但最近已经有一些项目发布了用于WebAssembly的zk-SNARK电路原型。例如，DelphinusLab的“ZAWA”zk-SNARKEmulator提出了一种将WASM虚拟机的操作数和语义编码到算数电路中的方法，从而使其能够进行zk-SNARK证明。随着时间的推移，zk-WASM电路无疑会不断优化，从而允许用通用语言(如C语言、C++、Rust和Ruby)编写的程序采用zk-Proof的范例。
结论
在这篇文章中，我们探索了zk-ASM的理论基础，并研究了zk-ASM的两个范例：Polygon使用zk-ASM创建一个操作码级别的zk-EVM，以及zk-SNARK在WebAssembly上的应用以创建zk-WASM。最终，zk-ASM的承诺是将Web2的互操作性和规模与Web3的可靠性和安全性结合在一起。
一方面，区块链越来越多地寻求超越当前吞吐量瓶颈的扩展，并有可能支持执行，而另一方面，Web2方法因未能充分保护用户数据和隐私而越来越受到攻击。由于程序员能够在他们的Web2代码中使用Web3设计范例，并在区块链上引入Web2语言和代码，通用的zk-ASM可能代表Web2和Web3世界中的一个汇合点。正是在这个意义上，zk-ASM可以让我们重新想象一个安全、无需信任的互联网。
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