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feat: update docs --story=1019296 authored by chenxuanhui's avatar chenxuanhui
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回顾介绍中的内容，zkEVM 的核心是通过零知识证明技术来验证以太坊虚拟机（EVM）执行的智能合约程序的正确性。zkEVM 通过各种子电路（如 Core、State、Bytecode、Copy 等）分解和管理复杂的证明过程，每个子电路负责处理特定的逻辑部分。State 子电路专门处理虚拟机中各类状态的读写操作。
# 布局
state子电路基础的设计包含如下几列。注意，和LookupEntry的State基本一致。
### StateCircuitConfig 结构体
StateCircuitConfig 定义了 State 子电路所需的配置，它包括多个列和选择器，用于管理和验证状态操作。以下是 StateCircuitConfig 的详细介绍：
```rust
pub struct StateCircuitConfig<F> {
q_enable: Selector,
/// Type of value, one of stack, memory, storage, call context, call data or return data
/// A `BinaryNumberConfig` can return the indicator by method `value_equals`
tag: BinaryNumberConfig<Tag, LOG_NUM_STATE_TAG>,
/// Stamp that increments for each state operation, unique for each row
stamp: Column<Advice>,
/// High 128-bit value of the row
value_hi: Column<Advice>,
/// Low 128-bit value of the row
value_lo: Column<Advice>,
/// Call id (other types) or contract address (storage type only)
call_id_contract_addr: Column<Advice>,
/// High 128-bit of the key (storage type only)
pointer_hi: Column<Advice>,
/// Low 128-bit of the key (storage type only) or call context tag
/// Or stack pointer or memory address or data index (call data and return data)
pointer_lo: Column<Advice>,
/// Whether it is write or read, binary value
is_write: Column<Advice>,
_marker: PhantomData<F>,
}
```
**q_enable**: 一个选择器，用于启用相关的约束。
**tag**: 一个二进制数配置，用于表示状态操作的类型，如堆栈（stack）、内存（memory）、存储（storage）、调用上下文（call context）、调用数据（call data）或返回数据（return data）。它通过 `BinaryNumberConfig` 实现，可以根据值启用特定的约束。
**stamp**: 每个状态操作的唯一标识，按顺序递增。
**value_hi** 和 **value_lo**: 代表状态值的高位和低位，用于存储 256 位数据。
**call_id_contract_addr**: 用于存储调用 ID 或合约地址。
**pointer_hi** 和 **pointer_lo**: 用于存储指针的高位和低位，指针可以是存储键、调用上下文标签、堆栈指针、内存地址或数据索引。
**is_write**: 表示操作是写操作还是读操作的二进制值。
**_marker**: 一个 PhantomData 类型，用于在编译时检查泛型类型 F。
### Tag 枚举
Tag 枚举定义了不同的状态类型，每种类型对应不同的状态操作：
```rust
pub enum Tag {
// in case for padding zeros, we make default = memory. memory read of unused pointer is 0.
#[default]
Memory,
Stack,
Storage,
......@@ -35,9 +49,38 @@ pub enum Tag {
ReturnData,
EndPadding,
}
```
**Memory**: 内存操作。
**Stack**: 堆栈操作。
**Storage**: 存储操作。
**CallContext**: 调用上下文操作。
**CallData**: 调用数据操作。
**ReturnData**: 返回数据操作。
**EndPadding**: 用于填充的末尾数据。
其中，tag我们没有简单的使用一个advice列，而是用了一个电路小工具名叫“BinaryNumberConfig/BinaryNumberChip”。它既可以表示一个tag，也可以当做动态选择器，用于启用约束。例如，我们想tag的值为stack(1)时启动约束1，为memory(0)时启动约束2。那么，示例代码如下
```rust
let condition_1 = tag.value_equals(1);
let condition_2 = tag.value_equals(0);
vec![condition_1 * constraint_1, condition_2 * constraint_2]
```
关于BinaryNumberChip，详见[here](../code-notes/binary_number_with_real_selector.rs的内容和用法.markdown)。
### CallContextTag 枚举
`CallContextTag` 枚举定义了调用上下文中的不同标签：
```rust
pub enum CallContextTag {
#[default]
ParentCallId,
ParentCodeContractAddr,
ParentProgramCounter,
......@@ -50,16 +93,9 @@ pub enum CallContextTag {
ReturnDataCallId,
}
```
这些标签用于表示调用上下文中的不同字段，如父调用 ID、父代码合约地址、父程序计数器、父堆栈指针、存储合约地址、发送者地址、调用数据大小、返回数据大小和返回数据调用 ID。
其中，tag我们没有简单的使用一个advice列，而是用了一个电路小工具名叫“BinaryNumberConfig/BinaryNumberChip”。它既可以表示一个tag，也可以当做动态选择器，用于启用约束。例如，我们想tag的值为stack(1)时启动约束1，为memory(0)时启动约束2。那么，示例代码如下
```rust
let condition_1 = tag.value_equals(1);
let condition_2 = tag.value_equals(0);
vec![condition_1 * constraint_1, condition_2 * constraint_2]
```
关于BinaryNumberChip，详见[here](../code-notes/binary_number_with_real_selector.rs的内容和用法.markdown)。
## 列的含义
# 列的含义
Tag不同，含义不同，如下。
......@@ -101,57 +137,74 @@ Tag不同，含义不同，如下。
# 约束
为了保证读写一致性，我们需要排序，按照如下顺序排序的：先按tag，再按callid, pointer hi, pointer lo, stamp的顺序排序。
为了保证读写一致性，我们需要对状态进行排序，排序规则如下：先按 `tag`，再按 `call_id`，`pointer_hi`，`pointer_lo`，`stamp` 排序。具体实现参考 scroll 的电路，我们使用以下方法：
在开发的代码中，例如Rust语言，排序十分简单。难的是在电路中增加约束保证整个Witness的行是符合排序规则的。参考scroll的电路，我们使用如下方法。
1. 将 `tag`，`call_id`，`pointer_hi`，`pointer_lo`，`stamp` 元组编码为 16-bit 的 limbs。
2. 上下两行的 limbs 作差，第一个非零的 diff 的 index 记为 `first_diff_limb`，要求 `diff[first_diff_limb]` 是 16-bit 数。
## 约束排序的方式
## 具体约束方式
将tag, callid, pointer hi, pointer lo, stamp元组编码为16-bit的limbs，假设有L个limbs。（可以bit更大但是那样比较难做range proof）。上下两行的limbs作差，有L个diff。第一个非零的diff，index记为first_diff_limb。要求diff[first_diff_limb]也是16-bit数即可。因为如果排序的顺序反了，则diff[first_diff_limb]是小数减大数，在有限域上得到一个非常大的结果（2^255左右），必然不属于16-bit的数。
- 用 `BinaryNumberChip` 表示变量 `first_diff_limb`，需要用 `log_2(L)` 个变量。
具体做法：
- 用BinaryNumberChip表示变量first_diff_limb。需要用log_2(L)个变量。
- 再定义变量limb_diff表示diff[first_diff_limb]。
- 再定义inv表示前者的逆。
- 约束1：建立一个expr数组v，是diff的累计RLC(random linear combination)：[0, diff[0], diff[0]+r diff[1], diff[0]+r diff[1]+r' diff[2]...]。约束sum \{first_diff_limb.value_equals(i) * v[i]\} == 0。即，前first_diff_limb是否都为0。sum是通过for循环取i=0..L得到的。注：value_equals(x)方法是BinaryNumberChip中用来判断值是否等于x的，若等于输出1，否则输出0。
注：也许可以把RLC改成^2。
- 约束2：sum \{first_diff_limb.value_equals(i) * diff[i]\} - limb_diff。即，limb_diff值是否按照定义等于diff[first_diff_limb]。sum是通过for循环取i=0..L得到的。
- 约束3：limb_diff存在inv。 1-limb_diff * inv == 0。即它非零。
- 约束4：limb_diff in range u16，即[0,2^16-1]。因为两个limb如果都属于u16，大的limb（下一行的）减小的limb（上一行的）的diff必然也是u16。反之，小的limb减大的limb的diff必然不是u16。
- 定义变量 `limb_diff` 表示 `diff[first_diff_limb]`。
- 定义 `inv` 表示前者的逆。
- 约束1：建立一个 expr 数组 v，是 diff 的累计 RLC（随机线性组合）。约束 `sum {first_diff_limb.value_equals(i) * v[i]} == 0`，即前 `first_diff_limb` 是否都为 0。
- 约束2：`sum {first_diff_limb.value_equals(i) * diff[i]} - limb_diff`，即 `limb_diff` 值是否等于 `diff[first_diff_limb]`。
- 约束3：`limb_diff` 存在 `inv`，即 `1 - limb_diff * inv == 0`。
- 约束4：`limb_diff` 在范围 `u16` 内，即 `[0, 2^16-1]`。
> RLC: zkevm-circuits/zkevm-circuits/src/state_circuit/random_linear_combination.rs
## 不同Tag对应的约束
还有其他约束。
首先，我们还需要一个变量叫`first_access`表示这个pointer的地方是否是第一次访问。其构造详情稍后详细描述。
那么对于不是first_access的行，意味着上一行和这一行是同一个地方，我们排序又是按照stamp排的。因此，如果这一行是读（is_write=0）那么value必然等于上一行的value。
对不同tag，约束不同：
- Memory：
- 若first_access且is_write=0, 则value=0.
- pointer_hi=0
- value_hi=0
- 0<= value_lo < 256
- Stack：
- 若first_access，则is_write=1. 即首次访问一个栈的位置，必须是写。
- pointer_hi=0
- 1<= pointer_lo <=1024
- Storage：
- 若first_access且is_write=0. 则value需要满足MPT。目前还没有涉及，详见MPT的文档（未完成）。
- CallContext
- 若first_access，则is_write=1. 即首次访问，必须是写。
- pointer_hi=0
- CallData
- 若first_access且is_write=0, 则value=0.
- pointer_hi=0
- value_hi=0
- ReturnData
- 若first_access，则is_write=1. 即首次访问，必须是写。
- pointer_hi=0
- value_hi=0
first_access的表示可以用上述的first_diff_limb来判断。因为整个表格已经排好序了，如果first_diff_limb处于tag, callid, pointer hi, pointer lo中，意味着要么这一行和上一行的tag不同，要么callid不同，要么pointer不同。也意味着是首次访问。反之，非首次访问。
还有一个约束，is_write必须是0或1。
\ No newline at end of file
定义变量`first_access`表示这个pointer的地方是否是第一次访问。其构造详情稍后详细描述。对于不是`first_access`的行，意味着上一行和这一行是同一个地方，我们排序又是按照`stamp`排的。因此，如果这一行是读（is_write=0），那么value必然等于上一行的`value`。
**对不同tag，约束不同：**
**Memory**:
- 如果 `first_access` 且 `is_write == 0`，则 `value = 0`。
- `pointer_hi = 0`。
- `value_hi = 0`。
- `0 <= value_lo < 256`。
**Stack**:
- 如果 `first_access`，则 `is_write = 1`，即首次访问一个栈位置，必须是写。
- `pointer_hi = 0`。
- `1 <= pointer_lo <= 1024`。
**Storage**:
- 如果 `first_access` 且 `is_write == 0`，则 `value` 需要满足 MPT（默克尔前缀树）。
**CallContext**:
- 如果 `first_access`，则 `is_write = 1`，即首次访问，必须是写。
- `pointer_hi = 0`。
**CallData**:
- 如果 `first_access` 且 `is_write == 0`，则 `value = 0`。
- `pointer_hi = 0`。
- `value_hi = 0`。
**ReturnData**:
- 如果 `first_access`，则 `value = 0`，即首次访问 return_data，value 必须是 0。
- `pointer_hi = 0`。
- `value_hi = 0`。
`first_access`的表示可以用上述的`first_diff_limb`来判断。因为整个表格已经排好序了，如果`first_diff_limb`处于t`ag, callid`,`pointer hi`, `pointer lo`中，意味着要么这一行和上一行的tag不同，要么`callid`不同，要么`pointer`不同。也意味着是首次访问。反之，非首次访问。
### 约束 `is_write`
- `is_write * (is_write - 1) = 0`
这个约束表示 `is_write` 必须是 0 或 1，因为只有 0 和 1 满足这个方程。
###
\ No newline at end of file

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