📜 [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。

abbrev

[zkp 讀書會] Cairo 語言介紹 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

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本篇文章是個經驗分享文，作者分享使用 Docker 作為開發環境時值得注意的 Best practices，透過這些經驗分享希望能夠讓開發者少走一些冤枉路。

原文提出了 15 個經驗談，這邊幫大家節錄幾個，有興趣的可以點選原文瞭解更多!
1. One thing at a time
2. Be ephemeral
3. Utilize .dockerignore
4. Less is more
5. Secrets should be secret
6. PID 1 is your birth right
7. Share and Care
8. Vulnerability Scan
9. Tag like you mean it
10. Permissions are costly
11. Source of Truth
12. Always official
13. Don’t include debug
14. Use entry point script smartly
15. Size does matter

One thing at a time
建置 Image 的時候專注做好一件事情，每個 Image 應該有一個專心要解決的問題，譬如一個應用程式，一個小工具等。對於 Nginx 這類型的 Image 來說，應該沒有人會期望於裡面看到有 Apache 的應用程式吧?

Be ephemeral
這個主要探討的是該 Image 本身建置時應該要以 stateless 的概念去處理，未來不論是透過 docker 或是 Kubernetes 來管理部署時，Contaienr 都很有機會被重啟，每次的重啟都意味該容器是重新啟動。所以千萬不要讓你的 Image 變成多次重啟會導致應用程式出問題的形式，任何的這類型資料應該都要透過外部取得，不要塞到你的 Image 內

Utilize .dockerignore
善用 .dockerignore 這個檔案來將不必要的檔案從 build 過程給排除，使用方法與 .gitignore 類似。透過這個檔案的設定可以避免 docker build 的時候不會把一些過大或是完全不需要的檔案都送給 docker daemon，不當浪費時間也浪費空間。

Less is more
避免安裝任何無關或是非必要的套件到你的 image 中，特別是那些 "nice to have" 的理由。

註: 我個人是滿討厭把 Image 弄得很乾淨的，除錯什麼工具都沒有，連 ash/sh/busybox/bash 都沒有的 image 更是我討厭中的排行榜冠軍

Secrets should be secret
任何機密資訊都應該要於運行期間動態載入，而不是建置期間塞入。請使用其他工具譬如 Vault 來管理這些機密資訊，並且執行期間讓 Container 能夠存取到正確的值。

PID 1 is your birth right
Linux 環境下會使用 SIGTERN, SIGKILL 等相關的 Singal 來戳你的應用程式，請確保你運行的應用程式要能夠攔截這些訊號來處理並完成有效的 Graceful shutdown.

Share and Care
如果環境中有多個 Image 彼此有共享相同的工具與功能，與其每個 Image 都單獨建置維護不如建置一個 Base Image，接者讓所有要使用的 image 去載入使用即可。
透過這種方式可以讓整體的維護性與管理性更為簡單，每個 image 可以減少重複的程式碼，同時要升級時只要針對 base Image 處理即可。

https://medium.com/pradpoddar/avoid-costly-mistakes-using-advanced-docker-development-best-practices-acd812784109

本篇文章探討的也是資安系列問題，而這次的目標主角則是 MAC 系統上廣為流傳的 Homebrew 系統。

結論:
作者透過觀察 Homebrew 的 Github Action 流程，成功得上傳一個會列印一行的程式碼到 iterm2 套件中，讓所有安裝的使用者都會於 Terminal 上看到一行作者客製化的訊息。

本次的漏洞是作者刻意從 Homebrew 的 Vulnerability Disclosure Program 專案中去嘗試尋找可能的問題，所有的操作都有跟官方專案的人探討過流程，並且一切的 PoC 都是單純證明該攻擊的可行性，所以有興趣研究的人請遵循一樣的想法去做，不要認真的想攻擊。

原因:
1. Homebrew 透過 Github Action 執行 CI/CD 動作
2. Homebrew 撰寫了一個自動合併 Pull Request 的 Action
3. CI 內會透過一個Ruby的 Git Diff 第三方函式庫來驗證，只要符合下列條件就可以自動合併
- Modifying only 1 file
- Not moving/creating/deleting file
- Target filepath matches \ACasks/[^/]+\.rb\Z
- Line count of deletions/additions are same
- All deletions/additions matches /\A[+-]\s*version "([^"]+)"\Z/ or - -\A[+-]\s*sha256 "[0-9a-f]{64}"\Z
- No changes to format of versions (e.g. 1.2.3 => 2.3.4)

作者一開始想要從該規則下手，找尋有沒有可能塞入惡意攻擊並且騙過系統讓其自動合併，然而這些規則看起來沒有什麼太多問題，於是作者轉往其他領域去找尋問題，其中一個想法就是到底該 Ruby 的 Git Diff 是如何實作，也許從實作下手更有辦法去欺騙這一切。

很順利的是，作者真的於該函式庫中找到問題，對於一個 Git Diff 的結果來說，該函式庫會透過 +++ "?b/(.*) 這樣的正規表達式來判別檔案路徑的資訊而並非程式修改內容，譬如下列 diff
```
diff --git a/source file path b/destination file path
index parent commit hash..current commit hash filemode
--- a/source file path
+++ b/destination file path
@@ line information @@
Details of changes (e.g.: `+asdf`,`-zxcv`)
```

作者就開始思考，如果讓程式碼可以符合 +++ "?b/(.*) 的規則，是否有辦法讓程式碼不被視為一個檔案的修改，因此就可以修改多行程式碼但是讓 CI 系統認為只有一行程式碼於是進行自動合併

作者最初的想法如下，第一行用來放惡意程式碼，第二行用來偽裝檔案路徑，經過一番嘗試後作者真的成功塞入了類似 PRINTF 的程式碼到環境中並觸發自動合併。接者各地使用者透過 brew 安裝 iterm 版本都會看到使用者塞入的程式碼。
```
++ "b/#{Arbitrary codes here}"
++ b/Casks/cask.rb
```

原文還有更多作者的思路過程，有興趣的不要錯過

原文:
https://blog.ryotak.me/post/homebrew-security-incident-en/#fn:7
測試用PR:
https://github.com/Homebrew/homebrew-cask/pull/104191