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## 简介
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## 简介
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证据Witness是一张大表格,列数对应着zk电路里的列column,行数则依据执行轨迹而定。
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证据Witness是一张大表格,列数对应着zk电路里的列column,行数则依据执行轨迹而定。
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Witness的列也可以按照功能拆分,拆分成Core, State, Bytecode的子表格,像子电路一样。子表格决定着子电路的列的设置,数值的填入,也间接决定着约束的设置。它也是从EVM程序的执行轨迹到zk电路逻辑的中间形式。因此,子表格的设计是整个zkEVM设计的重点。
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Witness的列也可以按照功能拆分,拆分成Core, State, Bytecode的子表格,像子电路一样。子表格决定着子电路的列的设置,数值的填入,也间接决定着约束的设置。它也是从EVM程序的执行轨迹到zk电路逻辑的中间形式。因此,子表格的设计是整个zkEVM设计的重点。
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代码里,不同子表格使用`Vec<Row>`来表示,例如Core子表格就是`Vec<core::Row>`。结构体Row是所需数值的集合,例如`struct Row { pc: U256, opcode: U256};`。而Witness就是将子表格集合起来的结构体:
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代码里,不同子表格使用`Vec<Row>`来表示,例如Core子表格就是`Vec<core::Row>`。结构体Row是所需数值的集合,例如`struct Row { pc: U256, opcode: U256};`。而Witness就是将子表格集合起来的结构体:
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```rust
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```rust
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pub struct Witness {
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pub struct Witness {
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pub bytecode: Vec<bytecode::Row>,
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pub bytecode: Vec<bytecode::Row>,
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pub copy: Vec<copy::Row>,
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pub copy: Vec<copy::Row>,
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pub core: Vec<core::Row>,
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pub core: Vec<core::Row>,
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pub exp: Vec<exp::Row>,
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pub exp: Vec<exp::Row>,
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pub public: Vec<public::Row>,
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pub public: Vec<public::Row>,
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pub state: Vec<state::Row>,
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pub state: Vec<state::Row>,
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pub arithmetic: Vec<arithmetic::Row>,
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pub arithmetic: Vec<arithmetic::Row>,
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}
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}
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```
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```
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因为不同子表格、不同列使用的行数可能不同,然而最终的表格显示出来所有列应该使用相同的行数,所以给短的列数填充默认值,一般为0。代码里一般用Rust的Option的None表示填充的默认值。
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因为不同子表格、不同列使用的行数可能不同,然而最终的表格显示出来所有列应该使用相同的行数,所以给短的列数填充默认值,一般为0。代码里一般用Rust的Option的None表示填充的默认值。
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以下举一个简单的例子。一个智能合约的执行轨迹包含4步:PUSH一个数,PUSH一个数,ADD,STOP。其字节码(易读格式)为
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以下举一个简单的例子。一个智能合约的执行轨迹包含4步:PUSH一个数,PUSH一个数,ADD,STOP。其字节码(易读格式)为
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> PUSH1 1 PUSH1 2 ADD STOP
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> PUSH1 1 PUSH1 2 ADD STOP
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那么可以简单的设计core, state, bytecode这三个子表格(作为示例,并非正式设计):
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那么可以简单的设计core, state, bytecode这三个子表格(作为示例,并非正式设计):
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## Core
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## Core
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core子表格负责表示4步轨迹,其列可以包含pc, opcode, operand (操作数,此处最多3个,因为ADD是a+b=c),以及负责表示操作数性质的列,例如stack_pointer(操作数在栈上的高度),is_write(是从栈读,还是写入)。操作数对于不同opcode不同,空的地方视为填充默认值0。
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core子表格负责表示4步轨迹,其列可以包含pc, opcode, operand (操作数,此处最多3个,因为ADD是a+b=c),以及负责表示操作数性质的列,例如stack_pointer(操作数在栈上的高度),is_write(是从栈读,还是写入)。操作数对于不同opcode不同,空的地方视为填充默认值0。
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| pc | opcode | operand | stack pointer | is_write | stamp | operand | stack pointer | is_write | stamp | operand | stack pointer | is_write | stamp |
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| pc | opcode | operand | stack pointer | is_write | stamp | operand | stack pointer | is_write | stamp | operand | stack pointer | is_write | stamp |
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|----|--------|---------|---------------|----------|-------|---------|---------------|----------|-------|---------|---------------|----------|-------|
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|----|--------|---------|---------------|----------|-------|---------|---------------|----------|-------|---------|---------------|----------|-------|
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| 0 | PUSH1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | | | | | | | |
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| 0 | PUSH1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | | | | | | | |
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| 2 | PUSH1 | 2 | 2 | 1 | 2 | | | | | | | | |
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| 2 | PUSH1 | 2 | 2 | 1 | 2 | | | | | | | | |
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| 4 | ADD | 2 | 2 | 0 | 3 | 1 | 1 | 0 | 4 | 3 | 1 | 1 | 5 |
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| 4 | ADD | 2 | 2 | 0 | 3 | 1 | 1 | 0 | 4 | 3 | 1 | 1 | 5 |
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| 5 | STOP | | | | | | | | | | | | |
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| 5 | STOP | | | | | | | | | | | | |
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(对上表中的stack_pointer如有不理解,可看下段的介绍。stamp也在下段介绍。)
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(对上表中的stack_pointer如有不理解,可看下段的介绍。stamp也在下段介绍。)
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## State
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## State
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state子表格负责执行轨迹涉及的所有状态读写,并保持读写的一致性,即读的值必须是上次写的值。根据此例子,读写都是栈上的,因此我们可以暂时不考虑memory,storage的读写,只考虑栈的。每一步轨迹涉及如下读写:
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state子表格负责执行轨迹涉及的所有状态读写,并保持读写的一致性,即读的值必须是上次写的值。根据此例子,读写都是栈上的,因此我们可以暂时不考虑memory,storage的读写,只考虑栈的。每一步轨迹涉及如下读写:
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1. PUSH1 1: 一次写,将值1写到栈的顶,此时栈顶高度为1(我们不从0开始,从1开始)
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1. PUSH1 1: 一次写,将值1写到栈的顶,此时栈顶高度为1(我们不从0开始,从1开始)
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2. PUSH1 2: 一次写,将值2写到栈的顶,此时栈顶高度为2
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2. PUSH1 2: 一次写,将值2写到栈的顶,此时栈顶高度为2
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3. ADD: 两次读,读出栈顶2个数,读的过程中,两个数在栈中的高度分别是2、1。一次写,将2个数的和写入栈顶,此时栈顶高度为1
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3. ADD: 两次读,读出栈顶2个数,读的过程中,两个数在栈中的高度分别是2、1。一次写,将2个数的和写入栈顶,此时栈顶高度为1
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4. STOP: 没有读写。
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4. STOP: 没有读写。
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由此可见,共有5次栈读写操作。对于每次操作,我们用一行来表示。(由此可见,不同子电路的一行含义不同。)每一行中,我们需要:value, stack_pointer, is_write。为了区分在同一stack_pointer的多次不同操作,我们还需要一个栈操作计数器,即这是总计第几次操作。我们可以选择从1开始计数。这一计数器命名为stamp。
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由此可见,共有5次栈读写操作。对于每次操作,我们用一行来表示。(由此可见,不同子电路的一行含义不同。)每一行中,我们需要:value, stack_pointer, is_write。为了区分在同一stack_pointer的多次不同操作,我们还需要一个栈操作计数器,即这是总计第几次操作。我们可以选择从1开始计数。这一计数器命名为stamp。
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> 如果用在同一栈高度,这是第几次操作,比较难设计。因此用总计第几次操作。
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> 如果用在同一栈高度,这是第几次操作,比较难设计。因此用总计第几次操作。
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由上述原因,core子表格的每个operand要增加一列stamp,表示这个计数器的值。
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由上述原因,core子表格的每个operand要增加一列stamp,表示这个计数器的值。
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综上,state表格如下:
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综上,state表格如下:
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| stamp | value | stack pointer | is_write |
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| stamp | value | stack pointer | is_write |
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|-------|-------|---------------|----------|
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|-------|-------|---------------|----------|
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| 1 | 1 | 1 | 1 |
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| 1 | 1 | 1 | 1 |
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| 2 | 2 | 2 | 1 |
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| 2 | 2 | 2 | 1 |
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| 3 | 2 | 2 | 0 |
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| 3 | 2 | 2 | 0 |
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| 4 | 1 | 1 | 0 |
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| 4 | 1 | 1 | 0 |
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| 5 | 3 | 1 | 1 |
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| 5 | 3 | 1 | 1 |
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> 思考:为什么需要stack pointer?只用一个is_write表示push、pop行不行?
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> 思考:为什么需要stack pointer?只用一个is_write表示push、pop行不行?
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>
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> 在go/java/c++/rust代码里,栈push pop等操作会“自动”从栈顶操作。但是zk没有这么自动,它不知道栈顶是哪里,需要用变量来告诉它!
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> 在go/java/c++/rust代码里,栈push pop等操作会“自动”从栈顶操作。但是zk没有这么自动,它不知道栈顶是哪里,需要用变量来告诉它!
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>
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>
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> 除了每个操作数的stack pointer,我们还需要知道此时栈顶到底多高,因此core子表格中应该还需要加一列,名字为stack height,记录在这一步各种操作完成之后的栈顶高度。stamp同理,需要一个stamp_at_end记录在这一步各种操作完成之后的计数器的值。
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> 除了每个操作数的stack pointer,我们还需要知道此时栈顶到底多高,因此core子表格中应该还需要加一列,名字为stack height,记录在这一步各种操作完成之后的栈顶高度。stamp同理,需要一个stamp_at_end记录在这一步各种操作完成之后的计数器的值。
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## Bytecode
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## Bytecode
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bytecode子表格用来放置被执行的合约的字节码。此表格较为静态,不会依据执行轨迹构建,而是依据程序字节码构建。在这个简单的例子中,我们需要两列:计数器cnt和值byte。计数器从0开始递增。byte记录一个字节的值,可以是PUSH1, ADD, STOP,也可以是例子里跟在PUSH1后的值。
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bytecode子表格用来放置被执行的合约的字节码。此表格较为静态,不会依据执行轨迹构建,而是依据程序字节码构建。在这个简单的例子中,我们需要两列:计数器cnt和值byte。计数器从0开始递增。byte记录一个字节的值,可以是PUSH1, ADD, STOP,也可以是例子里跟在PUSH1后的值。
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> 为什么需要cnt?还是因为zk没有非常自动,在一行里,它不知道此行的行号是多少。如果只有byte,无法区分这个byte是字节码的第几个!
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> 为什么需要cnt?还是因为zk没有非常自动,在一行里,它不知道此行的行号是多少。如果只有byte,无法区分这个byte是字节码的第几个!
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表格示例如下:
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表格示例如下:
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| cnt | byte |
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| cnt | byte |
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|-----|--------------|
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|-----|--------------|
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| 0 | 0x60 (PUSH1) |
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| 0 | 0x60 (PUSH1) |
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| 1 | 0x01 |
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| 1 | 0x01 |
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| 2 | 0x60 (PUSH1) |
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| 2 | 0x60 (PUSH1) |
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| 3 | 0x02 |
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| 3 | 0x02 |
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| 4 | 0x01 (ADD) |
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| 4 | 0x01 (ADD) |
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| 5 | 0x00 (STOP) |
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| 5 | 0x00 (STOP) |
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## 子表格间关系
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## 子表格间关系
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子表格、子电路基本是通过lookup进行关联的。
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子表格、子电路基本是通过lookup进行关联的。
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对于core中的栈的读写,体现在电路上,是从core子电路每个操作数及其属性变量,往state子电路的对应列进行lookup。
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对于core中的栈的读写,体现在电路上,是从core子电路每个操作数及其属性变量,往state子电路的对应列进行lookup。
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对于core中的pc和opcode,体现在电路上,是从core中这两列,往bytecode子电路的两列进行lookup。
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对于core中的pc和opcode,体现在电路上,是从core中这两列,往bytecode子电路的两列进行lookup。
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后续文档会详细说明。 |
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后续文档会详细说明。例如,此文档略去了PUSH1后边跟的数的lookup。 |
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