AIR:零知识证明 | Cairo 语言介绍_Polkamarkets

作者：NicLin，imToken资深区块链工程师

本文受众：区块链开发者或零知识证明爱好者

Cairo是STARK证明系统的其中一个编程语言，让开发者能透过Cairo来使用STARK，撰写效能更高的DApp。

PhotobySimonBergeronUnsplash

Warning：本篇会保持在highlevel的介绍，实际深入的部分请见文内附上的文档或是官方开发者文件。

背景介绍

建构于密码学的零知识证明能提供计算的隐私性，但同时在区块链生态系也被用来提升Scalability—我可以用10秒的运算资源来验证原本耗费1000秒运算资源的计算过程如同更多人熟悉的SNARK，STARK也是一个零知识证明的证明系统，但当前的STARK着重的是在Scalability，而非大家比较习以为常零知识证明提供的隐私性特质其实目前基于SNARK的Rollup项目，例如zkSync、Loopring、Aztec、zkopru，除了Aztec外，其他都是利用SNARK来增加Scalability—这些Rollup上资料都还是公开、没有隐私性的StarkWare是目前唯一基于STARK的开发团队STARK要加上隐私保护不会太难，只是StarkWare还没有把这项功能放在未来规划中Cairo简介

Mina开发团队O(1)Labs拟将零知识证明技术应用于OP Stack欺诈证明:6月29日消息，轻量级区块链协议Mina开发团队O(1)Labs已向Optimism提交提案，建议将旗下基于MIP SzkVM构建的零知识证明技术应用于OP Stack欺诈证明，其中MIPS功能除了除了本地高性能的snarky JS外，还允许使用通用语言编写应用程序。[2023/6/29 22:07:25]

标榜为图灵完备的零知识证明系统语言，Cairo对原本熟悉Solidity的开发者来说还是会感到比较难上手和陌生的。再加上套件库还不够充足，目前支援的杂凑函式是Pedersen，数位签章演算法是ECDSA。

但Cairo还在早期开发的阶段，相信开发体验会越来越好的。

另外需要注意的是作为一个证明系统，会有Prover和Verifier的角色。而STARK的Verifier是开源的，但Prover软体预计会有License保护。Prover一般情况下不得用于商业用途，除非将proof上传至官方的Verifier。

SKALE即将发布去中心化零知识证明解决方案Levitation Protocol:6月2日消息，以太坊侧链 SKALE 开发人员宣布了一项 SKALE 改进提案，即，去中心化零知识证明解决方案 Levitation Protocol，旨在通过使全套 ZK 解决方案无缝连接到 SKALE 架构，并将 Rollup 连接到以太坊主网。该提案包括进一步的生态系统升级，增加了一个新的「Layer 1 Megachain」，称为 SKALE G（G 代表木卫三，太阳系中最大的卫星）。

SKALE 开发人员计划在未来几个月内开始发布 Levitation Protocol 源代码，之后将启动公共测试网。Levitation Protocol 主网计划于 2023 年第四季度推出。[2023/6/2 11:53:31]

CAIRO字母分别代表的意思是

C:CPUAIR:AlgebraIntermediateRepresentationO:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemallC和AIR因为比较偏撰写零知识证明应用的细节和经验所以会跳过，但O:OneAIR(verifiersmartcontract)torulethemall代表的是：任何使用Cairo写的程式都能用同一个Verifier来验证，每个应用不再需要产生自己也只有自己能用的Verifier合约。

加拿大央行研究人员：零知识证明目前不能用于CBDC系统:金色财经报道，加拿大央行的研究人员在一份新分析报告中表示，零知识证明和类似的面向区块链网络隐私的加密方法“尚处于起步阶段”，还没有准备好在中央银行数字货币（CBDC）系统中广泛部署。[2020/6/30]

开发者不需要对自己的应用跑trustedsetup，也不需要烦恼Verifier的部分，如果你有开发过基于SNARK的应用的话你会更有感觉。

最后要提及的是，第一版的Cairo是设计来方便开发者将DApp的运算迁移至链下。不同于Rollup，这个链下只会有它自己一个DApp。这个DApp的项目方自己维护自己DApp的state。

这可能有点难懂。如果你有在写Solidity，想像一下今天你在合约要用到合约里宣告的storage变数时，你要自己提供merkleproof上来，证明这个storage变数真的是这个值。这个就是开发者要自己维护state的意思。

而第二版的Cairo则是StarkNet里使用的Cairo，这版的Cairo就是作为DApp在Rollup开发所使用—开发者可以在合约里宣告变数，变数的值不需开发者维护，可以直接假设存在。

动态 | 德勤在其企业区块链产品中增加了零知识证明隐私技术:据Coindesk消息，专业服务巨头德勤（Deloitte）在其企业区块链产品Eduscrypt平台中增加了零知识证明隐私技术。德勤在近日官方活动时宣布与以色列的零知识证明专家QEDIT合作，帮助用户通过区块链技术方式分享自己获得的证书和资格数据。[2019/10/29]

注1：StarkWare不喜欢Rollup这个词，他们觉得DataAvailability的需求是一段光谱：不一定得要把data全都送上L1，中间有其他方式可以做不同层级的DataAvailability。

注2：第一版和第二版实际上在官方版本里是0.0.1及0.0.2，在撰文当前最新版即是0.0.2。

官方网站：https://www.cairo-lang.org?

开发者文件：https://www.cairo-lang.org/docs/?

开发环境

Cairo有提供像是Remix的浏览器IDE：playground。里面提供各种范例练习和挑战，除了可以编译，还可以直接生成并上传proof。

动态 | 0x 协议推出基于零知识证明技术的 StarkDEX 测试版，每秒可处理逾 550 笔交易:去中心化交易协议 0x 宣布推出去中心化交易基础设施 StarkDEX，并提供了 Alpha 测试版供模拟交易。StarkDEX 由 0x 与零知识证明技术开发公司 StarkWare 合作开发，目的是使用 STARKs 技术突破非监管交易的无形限制，使加密货币交易所为用户提供大规模而无对手风险的交易。0x 表示目前 StarkDEX 每区块最多可批量处理 8000 笔交易，每秒可处理逾 550 笔交易，手续费成本则降低 200 倍。[2019/6/4]

注：但有些功能还是没办法在playground里使用，例如要给你的程式custominput时。这时候只能在本地端开发才能使用这个功能。

开发Cairo要先安装python，我将开发者文件整理出来的资料统整在这个hackmd文档里：https://hackmd.io/w690dpAQTsKeKZv3oikzTQ

里面包含简介、设置本地开发环境以及Cairo基础

注：我把开发者文件里的代码整理到这里：https://github.com/NIC619/cairo_practice/tree/master/practices

如果不想在研究开发者文件过程中，还要自己手动拼凑里面例子的话，可以直接用整理好的代码来执行。同时repo里还有包含一些额外自己测试Cairo功能的范例。

深入Cairo

在那份hackmd文档里的开头，可以连结到第二部分—深入Cairo的部分。里面也是从开发者文件里撷取出来我觉得比较重要的部分。如果你要读开发者文件的话，我建议从HelloCairo开始，它会从例子切入，会比较好知道Cairo怎么使用。接着如果要更深入了解，再去读HowCairoWorks。

StarkNetCairo

第二版的Cairo其实功能和第一版的Cairo是差不多的，所以不必担心在开发者文件里学到的Cairo在StarkNet版本会不能用或差很多。在读完HelloCairo/HowCairoworks后，就可以接着看HelloStarkNet。会很顺利的切换到StarkNet版本的Cairo。

注1：我整理的文档里是按照第一版Cairo所写的

注2：如果你从开发者文件一路看下来，体验过非StarkNet版的Cairo，那你在体验StarkNet版的Cairo时一定会发现这更像一般智能合约的使用方式—你可以用view函式查询storage变数，可以用external函式去执行合约。

非常建议尝试两种版本的Cairo，你会知道1.操作一个单独在L2的DApp和2.操作与其他DApp共存在Rollup上的DApp的不同。这对了解L2怎么运行、需要哪些资料、为什么需要这些资料非常有帮助。

0.0.2版的StarkNetCairo目前还缺少一些功能：

函式还没办法宣告阵列或struct型态的参数合约和合约之间还没办法互动L1没有办法读取到L2的资料，L2也没办法读取到L1的资料。如果要建立跨L2Bridge，这个功能非常重要。补充及个人心得

STARK的proofsize相比于SNARK系列的proofsize大很多，又其证明所包含的交易数量对proofsize和验证时间的影响不大，所以把很多笔交易一并做一个proof会是对STARK非常有利、节省成本的方式。但这同时也是一个缺点，如果你的DApp或Rollup的TPS不高，那就只能等更久时间搜集多一点的交易，要不然就只能提高成本来维持验证proof的频率。

StarkWare和zkSync一样都有Rollup宇宙的概念，个人觉得能够有选择是会比只有一个选择还好的方式，但实际上的可行性就要等其团队释出更多的资讯。

在Rollup越趋成熟的情况下，能够提供快速跨Rollup服务的流动性提供者的角色会越来越重要。zkRollup比OptimisticRollup有着短上许多的finalize时间，这对降低流动性提供者的风险有很大的帮助，但目前zkRollup支援合约功能甚至L1<->L2互动的完成度都比OptimisticRollup还低上许多。短期内快速跨Rollup的服务应该还是局限在OptimiticRollup之间。

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