Delphinus ZK-WASM

ZK-WASM 可以将更加能用的应用通过Layer2引入到区块链场景中。

目前区块链技术发展主要集中在两方面:

  • 一是提升TPS, 主要采用optimistic rollup, zk rollup, zkstark,zkEVM等方式解决;
  • 第二是WebAssembly (WASM), 由于大多数编译语言(.Net, AssemblyScript, C, C#, C++, Clean, COBOL, D, Eel, Elixir, F#, Faust, Forest, Forth, Go, Haskell, Java, JavaScript, Lisp, Lua, Ruby, Rust, Scheme, Swift, TypeScript) 可以编译成WASM,但并不支持EVM 字节码,采用WASM将可以支持广泛的应用,ZK-WASM也将更多通过Layer2有效扩展区块链的应用场景。

ZK-WASM即为ZKSNARK虚拟机,可以支持Web Assebmly应用。

Delphimus L2网络主要包含三部分:

  • ZK-WASM: web assembly 虚拟机,用来模拟web assembly, 并生成ZKSNARK 证明,并将执行结果同步到layer 1 链上。
  • ZK-Relayer: 将证明协议编译成WASM, 并创建一个消息通信层。
  • ZK-WASM-SDK: ZK-WASM 开发 工具包虚拟机,支持能用的编程基础。

WASM 状态机

可以将WASM虚拟机的输入作为一个元组:(I(C,H), E, IO), 其中 I 表示WASM 可执行的image, C 表示代码image, 初始的内存为H, E 为进入点,IO 表示表示输入输出 (stdin, stdout) 固件。WASM 运行时首先基于 I 的初始状态,然后跳到入口 E 开始执行WAMS规范的字节码。

WASM 运行时内部维持的状态 S(iaddr, \mathcal{F},\mathcal{M},\mathcal{G},\mathcal{SP}, I, IO), 其中 iaddr 是当前的指令地址,\mathcal{F}calling frame, \mathcal{M} 为内存状态,SP 为栈,\mathcal{G} 为全局变量。

WASM 运行时从 E 开始,通过一系统指令[t_0, t_1, t_2, t_3,\cdots],每个指令 t_i 形成一个状态转移: x\in S \rightarrow x' \in S.

有效的执行路径:对于WASM状态机: (I(C,H), E, IO), s_0 表示初始状态,s_o.iaddr = E, 对于一个有效的执行路径,是一系列转换函数 t_i 满足:

  • t_0 对应着在入口点 iaddr_0 = E 在的指令 op
  • 对于 ks_k = t_{k-1}\circ \cdots t_1\circ t_0(s_0)t_k 执行的指令为 op(s_k.iaddr)
  • s_e为最终的状态,需要保证 s_e.\mathcal{F}.depth = 0.

其中 s_e.IO.output 作为WASM运行时 (I(C,H), E, IO)输入的最终状态。

ZAWA架构电路

ZAWA是基于ZKSNARK的虚拟机,它的电路设计结构如下:

Step 1: Image setup WASM image 设置阶段,主要编码代码区域到查找表 T_{I} 中, 数据区域到查找表 T_{H} 中, 这两个表分别保证指令的有效性,以及初始内存数据的有效性;

Step 2: Execution Trace Generation 有效的的执行路径是一系列转称函数 [t_0, t_1, \cdots], 保证每个 t_i 是执行是有效性的;

Step 3: Synthesis Circuits 当一个有效的执行路径生成后,可以直接填充主执行电路 T_{\mathcal{E}}calling frame 查找表 T_{\mathcal{F}}, 内存访问日志表 T_{\mathcal{E}}, 全局访问日志表 T_{\mathcal{G}}, 栈访问日志表 T_{\mathcal{SP}}

Step 4: Proof Generation : 当把所有的电路合成后,通过Halo2 生成ZKSNARK证明。

Demo 示例

例如可以采用 C 编写智能合约,

void require(int cond); // external host api describes a equal constraint.
unsigned long long wasm_input(int); // external host api for fetch user inputs.

char* string ="hello-world\0";

void zkmain() {
    int sum = wasm_input(1); // 1 表示输入参数个数
    for (int i=0; string[i]!='\0'; i++) {
       sum -= 1;
    };
    require(sum == 0);
}

采用WASM编译器将其它编译成wasm image,然后根据它创建应用,输入参数 11 生成证明,然后可由部署在 Goerli 测试网上的验证者合约验证。

参考

https://delphinuslab.com/

https://github.com/DelphinusLab/zkWasm

https://github.com/DelphinusLab/halo2aggregator-s

https://jhc.sjtu.edu.cn/~hongfeifu/manuscriptb.pdf

https://delphinuslab.com/2023/01/29/delphinus-tutorial-1-create-your-first-zkwasm-application/

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