Polygon Miden 介紹

Polygon Miden是基于STARK虛擬機(jī)的通用執(zhí)行層，相比EVM兼容性，Miden更偏向于ZK友好性。

  • Miden 支持構(gòu)建計算量大的或隱私保護(hù)的應(yīng)用；
  • Miden基于Actor 模型，支持交易的并發(fā)執(zhí)行；
  • 支持賬戶抽象，保證資產(chǎn)安全；
  • Polygon Miden 采用優(yōu)化的STARK證明，支持客戶端證明。

Polygon Miden 目前還在開發(fā)中，預(yù)計2024 Q1季度上公開測試網(wǎng)。

架構(gòu)設(shè)計

Polygon Miden 架構(gòu)主要為了實現(xiàn)高吞吐量，隱私和資產(chǎn)安全，采用Actor 模型實現(xiàn)并發(fā)和局部狀態(tài)改變。

Account

Accounts主要用來持有資產(chǎn)，并定義資產(chǎn)轉(zhuǎn)移的規(guī)則。Account 可以代表用戶或自治的智能合約。Miden 支持圖靈完備的智能合約。

主要有幾個字段：

  • Account ID: account的唯一標(biāo)識符，整個生命周期都不會改變；
  • Storage: 存儲在account中的由用戶定義的數(shù)據(jù)；
  • Nonce： 計數(shù)器，當(dāng)每次account 狀態(tài)改變時自增加；
  • Vault: 存在account中的assets;
  • Code: 函數(shù)的集合，定義了account外部的接口。

Miden 賬戶類型主要有以下四種：

Account存儲模式有三種：

  • public state: 實現(xiàn)的狀態(tài)存儲在鏈上，和大多數(shù)公鏈一樣；
  • private state: 只有賬戶的hash的存在鏈上， 實際隱私數(shù)據(jù)由用戶自己保存；
  • Encrypted state: 未來將支持加密狀態(tài)，通過加密后存在鏈上。

Notes

Notes是 acccounts 互相之間用來發(fā)送的消息。Note中存有資產(chǎn)，以及note如何被花費(fèi)的腳本。

Note中主要包含幾個字段：

  • Vault：存儲在Note中的assets 集合；
  • Script: 由某些Account執(zhí)行用來獲取assets，調(diào)用account的函數(shù)接口；
  • Inputs: 腳本執(zhí)行的輸入；
  • Serial number: note的唯一標(biāo)識符；

和Account類似，Note存儲也有兩種模式，可以將note的數(shù)據(jù)公開存儲在鏈上，或只在鏈上note 上存儲 hash值，實現(xiàn)隱私保護(hù)。對于隱私的note,只有知道note數(shù)據(jù)的才能消耗掉，需要有鏈下的通信，將note的數(shù)據(jù)由發(fā)送者給接收者。

Assets

Assets可以是同質(zhì)化或非同質(zhì)化代幣，它們存儲在用戶的account中或note中。

Transactions

Transaction 描述單個賬戶notes的生成和消耗，每個交易的執(zhí)行總是生成一個STARK 證明。

Miden支持并行和隱私的交易執(zhí)行，每個交易只對單個賬戶的狀態(tài)更改，實現(xiàn)異步性。

交易可以描述為一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)：

除了輸入和輸出，交易必須包含可執(zhí)行的程序， 主要執(zhí)行以下功能：

  1. 為所有的輸入創(chuàng)建統(tǒng)一的vault；
  2. 執(zhí)行所有輸入notes的腳本；
  3. 運(yùn)行用戶定義的腳本，若存在的話；
  4. 為所有的輸出創(chuàng)建統(tǒng)一的vault;
  5. 保證輸入和輸出中Vault中的資產(chǎn)一致。

若在兩個賬戶之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)賬交易，需要兩筆交易：

第一個交易調(diào)用account_a的函數(shù)，并創(chuàng)建一個新的note1， 更新account_a的狀態(tài)；第二個交易消耗note1，調(diào)用賬戶acount_b的函數(shù)， 并更新account_b的內(nèi)部狀態(tài)。

需要注意的時，這兩筆交易可以異步執(zhí)行。

有兩種類型的交易：

  • Local transaction: 由客戶端執(zhí)行交易并生成正確執(zhí)行的證明，它的費(fèi)用更低，支持隱私保護(hù)；
  • Network transaction: 由operator 執(zhí)行交易并生成證明。

State 模型

Miden rollup的狀態(tài)主要描述當(dāng)前所有accounts 和 note的狀態(tài)，主要有accounts, notes, nullifiers三個數(shù)據(jù)庫。

Account數(shù)據(jù)庫

Account數(shù)據(jù)庫采用分層的SMT(tiered sparse merkle tree) 結(jié)構(gòu)，可以將賬戶ID映射到賬戶Hash, 再到賬戶數(shù)據(jù)(公開賬戶)。

Note 數(shù)據(jù)庫

Notes 記錄在只增的累加器中，采用MMR (Merkle Mountain Range) 結(jié)構(gòu)，每個葉子節(jié)點(diǎn)是一個區(qū)塊頭，包含區(qū)塊中所有的notes的承諾。

Nullifier 數(shù)據(jù)庫

Nullifier 存在分層SMT (tiered sparse merkle tree)中，映射note nullifier為0或1， 以表示Nullfier 是否被消耗掉。

Execution 模型

Polygon Miden是一個以太坊rollup, 它將交易聚合，生成區(qū)塊的證明提交到太坊上。

每個交易生成一個證明，驗證其執(zhí)行的正確性。然后將交易證明聚合成 batches， 最后將多個batch證明聚合在一個區(qū)塊中， 作為一筆發(fā)送到以太坊上。

Miden VM

Miden VM 是通過Rust 開發(fā)的零知識證明虛擬機(jī)，對于執(zhí)行的任何程序，可以生成一個基于STARK的證明。

Miden VM具備多種功能：

  • Flow control: Miden VM 是圖靈完備的虛擬機(jī)，支持流控制結(jié)構(gòu)；
  • Procedures: Miden assemble 程序可以分解為多個子程序procedures， 實現(xiàn)模塊化；
  • Execution contexts: Miden VM 程序執(zhí)行能擴(kuò)展到多個獨(dú)立的上下文環(huán)境中。
  • Memory: Miden VM 支持讀寫隨機(jī)訪問內(nèi)存；
  • U32 operations: Miden 支持32位無符號整數(shù)運(yùn)算，包含數(shù)值，比較，以及按位運(yùn)算；
  • Cryptographic operations: Miden 匯編提供內(nèi)置的指令計算hash和驗證Merkle 路徑， 采用RPO(Rescue Prime Optimized) Hash 函數(shù)；
  • External libraries: Miden 支持提前定義的庫；
  • Nondeterminism: 證明者可給Vm提供執(zhí)行的hints。
  • Customizable hosts: Miden VM可以使用用戶定義的hosts, 用來向VM提供外部了的數(shù)據(jù) 。

Miden VM 主要四個組件組成：

  • Stack: 棧結(jié)構(gòu)，每個元素是一個Goldlocks 域元素；
  • Memory: 線性的隨機(jī)訪問讀寫內(nèi)存；
  • Chiplets: 用于支持專用計算的小芯片；
  • Host: 主要來用證明者和Miden 傳遞消息。

Miden VM 目標(biāo)是支持高級語言，如Rust, Move， Sway等，但是相應(yīng)編譯器尚未開發(fā)出來。目前只能通過Miden 匯編語言編寫程序。

向Miden VM提交外部輸入有兩種方式：

  • Public inputs: 通過對棧的初始化為VM提供公開輸入；
  • Secret inputs: 隱私輸入通過advice provider提供給VM。

程序執(zhí)行完成后， 棧上剩作的元素即為公開的輸出。

advice provider 提供三種非確定性輸入：

  • Advice stack； 一維的域元素數(shù)組；
  • Advice map: map 映射結(jié)構(gòu)；
  • Merkle store： Merkle樹和Merkle store.

Miden VM assembly 簡單示例, 作一個簡單的加法運(yùn)算：

# This is a basic program that pushes 1 and 2 onto the stack and adds them.
# The result is then pushed onto the stack.

begin
  push.1
  push.2
  add
end

結(jié)果為：

{
"stack_output" : [3,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
"trace_len" : 64
}

參考

https://polygon.technology/polygon-miden

https://docs.polygon.technology/miden/

https://github.com/0xPolygonMiden

https://0xpolygonmiden.github.io/examples/

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