📜 [專欄新文章] [zkp 讀書會] Cairo 語言介紹
✍️ NIC Lin
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Cairo 是 STARK 證明系統的其中一個編程語言，讓開發者能透過 Cairo 來使用 STARK，撰寫效能更高的 Dapp
Photo by Simon Berger on Unsplash
Warning：本篇會保持在 high level 的介紹，實際深入的部分請見文內附上的文檔或是官方開發者文件
背景介紹
建構於密碼學的零知識證明能提供計算的隱私性，但同時在區塊鏈生態系也被用來提升 Scalability — 我可以用 10 秒的運算資源來驗證原本耗費 1000 秒運算資源的計算過程
如同更多人熟悉的 SNARK，STARK 也是一個零知識證明的證明系統，但當前的 STARK 著重的是在 Scalability ，而非大家比較習以為常零知識證明提供的隱私性特質
其實目前基於 SNARK 的 Rollup 項目，例如 zkSync、Loopring、Aztec、zkopru，除了 Aztec 外，其他都是利用 SNARK 來增加 Scalability — 這些 Rollup 上資料都還是公開、沒有隱私性的
StarkWare 是目前唯一基於 STARK 的開發團隊
STARK 要加上隱私保護不會太難，只是 StarkWare 還沒有把這項功能放在未來規劃中
Cairo 簡介
標榜為圖靈完備的零知識證明系統語言，Cairo 對原本熟悉 Solidity 的開發者來說還是會感到比較難上手和陌生的。再加上套件庫還不夠充足，目前支援的雜湊函式是 Pedersen，數位簽章演算法是 ECDSA（相對於 SNARK，EdDSA 的效能反而比較差所以沒有支援）。
但 Cairo 還在早期開發的階段，相信開發體驗會越來越好的。
另外需要注意的是作為一個證明系統，會有 Prover 和 Verifier 的角色。而 STARK 的 Verifier 是公開的，但 Prover 軟體預計會有 License 保護。Prover 一般情況下不得用於商業用途，除非將 proof 上傳至官方的 Verifier。
最後要提及的是，第一版的 Cairo 是設計來方便開發者將 Dapp 的運算遷移至鏈下。不同於 Rollup，這個鏈下只會有它自己一個 Dapp。這個 Dapp 的項目方自己維護自己 Dapp 的 state。（ Rollup 則是 operator 維護所有 Dapp 的 state，Dapp 開發者不需自己操煩）
這可能有點難懂。如果你有在寫 Solidity，想像一下今天你在合約要用到合約裡宣告的 storage 變數時，你要自己提供 merkle proof 上來，證明這個storage 變數真的是這個值。這個就是開發者要自己維護 state 的意思。
而第二版的 Cairo 則是 StarkNet 裡使用的 Cairo（第一和第二版是不同編譯器），這版的 Cairo 就是作為 Dapp 在 Rollup 開發所使用 — 開發者可以在合約裡宣告變數，變數的值不需開發者維護，可以直接假設存在。
註1：StarkWare 不喜歡 Rollup 這個詞，他們覺得 Data Availability 的需求是一段光譜：不一定得要把 data 全都送上 L1，中間有其他方式可以做不同層級的 Data Availability。
註2：第一版和第二版實際上在官方版本裡是 0.0.1 及 0.0.2，在撰文當前最新版即是 0.0.2
官方網站：https://www.cairo-lang.org
開發者文件：https://www.cairo-lang.org/docs/
開發環境
Cairo 有提供像是 Remix 的瀏覽器 IDE：playground。裡面提供各種範例練習和挑戰，除了可以編譯，還可以直接生成並上傳 proof。
註：但有些功能還是沒辦法在 playground 裡使用，例如要給你的程式 custom input 時。這時候只能在本地端開發才能使用這個功能。
開發 Cairo 要先安裝python，我將開發者文件整理出來的資料統整在這個 hackmd 文檔裡：https://hackmd.io/w690dpAQTsKeKZv3oikzTQ
裡面包含簡介、設置本地開發環境以及 Cairo 基礎（因為篇幅原因，所以不將內容複製到這裡）
註：我把開發者文件裡的代碼整理到這裡：https://github.com/NIC619/cairo_practice/tree/master/practices
如果不想在研究開發者文件過程中，還要自己手動拼湊裡面例子的話，可以直接用整理好的代碼來執行。同時 repo 裡還有包含一些額外自己測試 Cairo 功能的範例。
深入 Cairo
在那份 hackmd 文檔裡的開頭，可以連結到第二部分 — 深入 Cairo 的部分。裡面也是從開發者文件裡擷取出來我覺得比較重要的部分。如果你要讀開發者文件的話，我建議從 Hello Cairo 開始，它會從例子切入，會比較好知道 Cairo 怎麼使用。接著如果要更深入了解，再去讀 How Cairo Works。
StarkNet Cairo
第二版的 Cairo 其實功能和第一版的 Cairo 是差不多的，所以不必擔心在開發者文件裡學到的 Cairo 在 StarkNet 版本會不能用或差很多。在讀完 Hello Cairo/How Cairo works 後，就可以接著看 Hello StarkNet。會很順利的切換到 StarkNet 版本的 Cairo。
註1：我整理的文檔裡是按照第一版 Cairo 所寫的
註2：如果你從開發者文件一路看下來，體驗過非 StarkNet 版的 Cairo，那你在體驗 StarkNet 版的 Cairo 時一定會發現這更像一般智能合約的使用方式 — 你可以用 view 函式查詢 storage 變數，可以用 external 函式去執行合約（非 StarkNet 版本不是這樣操作 Dapp 的，這邊因為篇幅原因沒有詳細介紹）。
非常建議嘗試兩種版本的 Cairo，你會知道 1. 操作一個單獨在 L2 的 Dapp 和2. 操作與其他 Dapp 共存在 Rollup 上的 Dapp 的不同。這對了解 L2 怎麼運行、需要哪些資料、為什麼需要這些資料非常有幫助。
0.0.2 版的 StarkNet Cairo 目前還缺少一些功能：
函式還沒辦法宣告陣列或 struct 型態的參數
合約和合約之間還沒辦法互動
L1 沒有辦法讀取到 L2 的資料，L2 也沒辦法讀取到 L1 的資料。如果要建立跨 L2 Bridge，這個功能非常重要。
補充及個人心得
STARK 的 proof size 相比於 SNARK 系列的 proof size 大很多，又其證明所包含的交易數量對 proof size 和驗證時間的影響不大，所以把很多筆交易一併做一個 proof 會是對 STARK 非常有利、節省成本的方式（SNARK、STARK 比較表）。但這同時也是一個缺點，如果你的 Dapp 或 Rollup 的 TPS 不高，那就只能等更久時間搜集多一點的交易，要不然就只能提高成本來維持驗證 proof 的頻率。
StarkWare和 zkSync 一樣都有 Rollup 宇宙的概念（ Rollup 宇宙的用詞並不精確，因為在他們的宇宙中不會所有子鏈都是 Rollup，而是會有依照 Data Availability 程度不同所區分的子鏈，像是 Validium、zk Porter 的設計），個人覺得能夠有（針對 Data Availability 程度的）選擇是會比只有一個選擇（完全 Data Available） 還好的方式，但實際上的可行性就要等其團隊釋出更多的資訊。
在 Rollup 越趨成熟的情況下，能夠提供快速跨 Rollup 服務的流動性提供者的角色會越來越重要。zk Rollup（StarkNet、zkSync、etc…）比 Optimistic Rollup （Optimism、Arbitrum、etc…）有著短上許多的 finalize 時間，這對降低流動性提供者的風險有很大的幫助，但目前 zk Rollup 支援合約功能甚至 L1 <-> L2 互動的完成度都比 Optimistic Rollup 還低上許多。短期內快速跨 Rollup 的服務應該還是侷限在 Optimitic Rollup 之間。
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數位簽章 算法 在 [其他] 沒有雜湊函數的數位簽章- 看板Math - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
想請問在 [不考慮計算量跟速度] 下
如果直接對整個訊息做只有非對稱加密的數位簽章 會有被竄改然後不被發覺的可能性嗎?
我覺得沒有, 即雜湊函數只是讓計算量降低而已, 推論請見下:
假設我使用的非對稱加密是RSA,
公鑰是K = (N, e), 私鑰是k =(N, d), 其中公鑰是傳送者, 接受者, 竄改者都看得到,
私鑰只有傳送者看得到
今天我有訊息m跟用k加密的訊息m_k, 傳送數對(m, m_k)出去
接著有竄改者攔截到訊息後把m改成M, 改傳送(M, X)過去, 但是他瞞不過接受端的人啊..
.因為:
1. 若X=m_k, 接受者用K把m_k解密後得到m, 就發現m不等於M, 因此認定M無效
2. 若X=亂碼, 接受者用K把亂碼解密也是亂碼當然不等於m, 因此認定M無效
3. 若X=M_k, 接受者是可以把M_k解密後得到M, 然後得到誤導後的資訊M=M, 但是X=M_k相
當於他要破解RSA去得到私鑰k, 這當作不可能
因此我認為雜湊函數在確認是正確訊息上是不需要的
查了很多中英文關鍵字沒找到類似的, 我純粹好奇任何一個算法一定都有其必然理由, 少
了之後會有什麼影響, 多了是為了什麼好處之類的...
所以數位簽證的雜湊函數是:
(1) 同時降低計算量與確認訊息正確性
(2) 只有降低計算量
(1)或(2)對我來說差很多所以想釐清XD
謝謝幫忙~
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 59.102.225.191 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Math/M.1650051124.A.8FA.html
※ 編輯: znmkhxrw (59.102.225.191 臺灣), 04/16/2022 03:33:19
謝樓上i, A大分享
謝謝關鍵字, 我是查digital signature without hash, 我再試試看你的關鍵字
另外wiki講的hash有三個功能, efficiency, compatibility, integrity
前兩者是實務問題不論, 他在integrity那邊講說如果直接加密原文, 那分的多段可能被
竄改者刪除或是換順序
但是這樣的話接受者在解密後也會發現跟一起送來的正確訊息m有出入, 或是跟誤導的錯
誤訊息M不合, 不管哪種case接受者都會認為是無效簽名
不過existential forger應該就是有辦法矇騙過去, 我再看看, 謝謝
謝謝L大分享, 我之後查閱existential forgery後, 發現他是只要竄改者能夠產生出一組
合法的(message, signature)就算是有existential forgery, 其中message不一定要有意
義
我一開始覺得怪的點在於, 今天如果數位簽章是採用標準的RSA但是沒有用hash, 雖然竄
改者可以造出一堆合法的(m, s), 但是m幾乎是亂碼, 這樣接受者接受到後也會認為無意
義, 這樣的話好像沒有防的必要了
也就是說, existential forgery單純定義在有存在合法的竄改者產生的(m, s)的話, 確
實無hash的標準RSA當數位簽章會有問題
但是如果竄改者要任意的偽造合法且有意義的訊息(M, s), 那沒hash的RSA也夠防止這點
發生了, 因為要任意造有意義的訊息M, 必須存在s滿足M = s^e (mod N), 然後再吧(M, s
)送出去, 但是對於任何M要找到s滿足綠色的條件式, 應該是不好找甚至不存在吧...
※ 編輯: znmkhxrw (123.240.192.135 臺灣), 04/17/2022 01:55:33
了解了, 確實有些情況下任何訊息都是有意義的, 而如果要嚴格定義何謂有意義的, hash
在這邊就幫的上忙, 換言之hash好像幫忙定義出何謂有意義的訊息, 好聰明!
謝謝回答~
※ 編輯: znmkhxrw (123.240.192.135 臺灣), 04/17/2022 18:11:18
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