Miden证明系统架构
miden是一个基于strark技术的zkvm实现方案。它的底层是基于winterfell这个zkp库来生成stark证明和对证明进行验证。下图1中虚线部分是Miden实现的主要功能。可以看出，主要有三个组件构成。
1.一套词法语法编译器,下图1中的lexicalanalyzer和syntaxparser。它们可以将miden定义的汇编指令编程成codeblock和block中包含的opcode和opvalue。
2.一套指令的执行器，下图1中的executor。它负责按照定义的规则执行codeblock和block中包含的opcode及opvalue。执行结果为用于生成证明的executiontrace。
3.一套符合stark证明要求的AIR(代数中间表示)，下图1中的AIR。用来对miden的虚拟机执行过程进行约束。
AIR结构设计图
AIR的约束分为stack和decoder两部分：
图2为stack的约束，初始化时分配了最上边深度为8的stack。在执行时根据程序需要，可能会超出初始化分配的深度，那么max_depth会根据需要递增。但是不能超过最大深度16。否则报错。
GnosisChain联创：经过交易审查的以太坊区块数下降归功于Gnosis等7个中继器:2月15日消息，GnosisChain联合创始人Martin K?p pelmann发推表示，经过交易审查的以太坊区块数下降归功于BloX route、Ultrasound和Gnosis等中继器，它们构成了大部分未经审查的区块空间。目前有七个中继器是非审查的，其中包括BloX route的两个中继器（maxprofit和ethical）、Ultrasound、Agnostic Gnosis、Manifold、Relayoor和Aestus。[2023/2/15 12:07:20]
图3为decoder的约束。其中的op_counter,op_sponge,cf_op_bits,ld_op_bits,hd_op_bits是固定列长度的。其中的op_sponge用于执行指令的顺序和正确性的约束。cf_op_bits约束3bit的flow_ops。ld_op_bits,hd_op_bits分别约束了user_ops的低5bits和高2bits。ld_op_bits和hd_op_bits组合构成一条执行的user_op,还用来作为stack每step状态约束的selector。
MidenVM执行过程实例
本节将展示一个简单的miden逻辑来说明vm的执行过程和stark的executiontrace的生成。
V神：经过认证的去中心化区块链世界即将到来:金色财经报道，以太坊联合创始人兼核心开发人员Vitalik Buterin针对Reddit社区的《我对web3的第一印象》话题回复称，我认为经过认证的去中心化区块链世界即将到来，而且比许多人想象的更接近于此。当然，所有这些技术都有可能建立起来，而很多人不会关心。但我比较乐观。用户通常接受开发者给出的默认设置，而且很多开发者确实真正关心去中心化和不可信任的问题（而运行中心化信任节点的法律问题越来越多，会促使他们更加关心）。用户今天拒绝的去中心化选项（例如，运行一个完整的节点）在今天确实是相当困难，所以用户坚持使用更中心化的选项是可以理解的，至少他们可以轻松使用。这里列出的建议都没有那么困难，甚至运行一个完整的节点本身也会随着时间的推移变得更容易和更便宜。因为像无状态和历史过期的想法开始发挥作用，所以我看不出为什么未来需要像今天这样的技术原因。[2022/1/9 8:35:19]
下边代码段1是要执行的代码段：
它执行的逻辑是将3和5压栈。之后从tape读取flag。判断flag是1还是0。如果是1则运行if.true分支将压栈的两个数3和5取出，相加得到8并重新压入栈。如果是0则运行else分支将压栈的两个数3和5取出相乘得到15，再将15重新压入栈。
代码段通过miden的词法和语法分析器解析后的最终指令代码如下代码段2:
声音 | 复旦大学焦经川：经过技术改造和应用，区块链可以助力反:据第一财经消息，复旦大学中国反研究中心研究员焦经川出席“夯实控虚 严监管 新高度——2019第九届中国反高峰论坛”时表示，区块链技术到底是的帮凶还是反的助手取决于使用技术的人。区块链并非天生的工具，通过区块链技术的改造和应用，区块链可以助力反。[2019/11/22]
下边图4是vm运行代码段2的过程，中间是executor执行opcode的流程图，左边虚线指向的是代码执行产生的decodertrace，右边点划线指向的是代码执行产生的stacktrace。
其中executor是按照codeblock来一块一块执行。在本例子里，首先执行了一个spanblock。之后在第32步时执行if-else-end结构进入了swtichblock块，并将之前的spanblock的最后一步执行生成的spongehash压入ctx_stack，并在swtichblock块执行完之后，在第49步弹出到sponge里。
Note：本文档描述针对miden工程的main分支最新版本。目前miden的next分支对于指令进行了大量重新设计，AIR也只实现了很少一部分的约束。
Moritz Schmidt：希望BTC在未来被取缔:据livebitcoinnews消息，德国软件开发者莫里茨·施密特（Moritz Schmidt）最近表示，当他了解到比特币在能源环境方面的破坏性时，使他充满了恐惧和担忧。尽管他从比特币上赚了很多，但他现在越来越不在乎比特币，并认为，实际上，将需要禁止比特币。Moritz Schmidt说，我一直在等待合适的机会捐款。之前消息，他曾向倡导环保的德国绿党捐款约120万美元。[2021/5/2 21:17:19]
stack约束条件
本节将展示主要的User操作指令的约束条件。其中的old_stack_x指的是指令执行前的stack的x位置存储的value。new_stack_x指的是指令执行后的stack的x位置存储的value。-->是将栈左边位置的value拷贝到右边位置。==是等式约束。stack的约束相对比较简单，就不多做解释了。
条件指令
Choose
Constrain:
如果condition为1，x在堆栈顶部，condition为0，y在堆栈顶部
算术指令
add
Constrain:
金色财经现场报道 萨摩亚独立国前国会议长Schmidt laauli:萨摩亚拥抱区块链:金色财经现场报道，在全球区块链世界巡回高峰会议大湾区站， 萨摩亚独立国前国会议长Schmidt laauli在致辞中指出，对于区块链技术，萨摩亚欢迎各公司前来投资，萨摩亚已经与部分公司展开合作，共同促进萨摩亚经济得到更好的发展，政府也会对萨摩亚投资的企业提供更多的支持，也希望区块链峰会在萨摩亚召开。[2018/4/23]
mul
Constrain:
inv
Constrain:
neg
Constrain:
bool指令
not
Constrain:
and
Constrain:
or
Constrain:
hash指令
RESCR
满足hash函数协议的限制函数hash
占用6registers
Constrain:
比较指令
eq
Constrain:
cmp
根据比较的两个数的bit长度循环比较。比如
A:
B:
需要比较4次
Constrain:
堆栈操作指令
dup.n
Constrain:
swap
Constrain:
ROLL4
Constrain:
decoder的约束条件
本节将展示主要的Flow操作指令的约束条件。
用户代码执行
op_bits
对于cf_op_bits，ld_op_bits，hd_op_bits的约束。
约束1:每bit只能为0或者1。
约束2:当op_counter不为0时，ld_ops和hd_ops不能同时为0。
约束3:当cf_op_bits为hacc时。op_counter状态会加1。
约束4:BEGIN,LOOP,BREAK,andWRAP指令需要16对齐
约束5:TENDandFEND指令需要16对齐
约束6:PUSH指令需要8对齐
hacc
hacc作为flowOps，每次执行该指令都会引起sponge的状态改变，需要进行约束
条件判断
t_end
作为if的true分支结束的约束，分为两部分：
约束1:sponge状态的约束，弹出栈顶的值等于new_sponge_0。if的true分支的最后一步执行后的sponge等于new_sponge_1。new_sponge_3等于0。
约束2:ctx_stack的约束。弹出栈顶的值等于new_sponge_0。栈内其他元素都往栈顶移动一个位置。
约束3:loop_stack的约束。loop_stack的状态不变。
f_end
作为if的false分支结束的约束，分为两部分：
约束1:sponge状态的约束，弹出栈顶的值等于new_sponge_0。if的true分支的最后一步执行后的sponge等于new_sponge_2。new_sponge_3等于0。
约束2:ctx_stack的约束。弹出栈顶的值等于new_sponge_0。栈内其他元素都往栈顶移动一个位置。
约束3:loop_stack的约束。loop_stack的状态不变。
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