📜 [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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最近台灣因為疫情關係，許多學校開始遠端教學，也造成許多老師與家長的崩潰~所以今天就來聊聊比較專業點的話題，個人如何在家建立遠端線上教學？

平常個人不像學校有平台帳號，以及軟體系統支援，對於體制外的人想開個遠端示範教學分享，該如何運用現有的網路資源來做遠程？

規劃遠端線上課程，要考慮的東西很多，例如軟體平台、硬體配備、網路頻寬等等….但首先要了解你課程的需求，這樣才有辦法針對需求，挑選適合的方式進行，其實遠端教學我在幾年前就有嘗試過，去年也有跟幾所學校試著用遠端作講座，所以有些小心得，今天就以漫畫課程轉成線上教學做一個很簡單的經驗分享。

在講遠端教學前，先來了解一下，我在 角川国際動漫教育 的實體上課模式：

上課老師或助教點名，公告今天課程的內容與時段安排，接著檢查上一堂課交代的作業，逐一做檢討示範，這個階段開始都會用螢幕分享廣播的方式，讓所有人看的到操作修改過程，檢討完畢才開始正式課程，因為學生總是會有晚到的，一開始做作業檢討，可以先檢討先來的同學作品，也不會浪費等待時間。

正式課程我習慣用簡報影片，講解課程概念與實際範例，如果學生沒問題，就開始實際的操作與示範，這時會使用軟體做繪圖示範，示範剛剛講解的簡報內容與繪製要領，並當場出一個練習給學生實地操作。

學生操作過程中，我會逐一過去看看並詢問問題，這時學生若有疑問就會提問，畢竟有些學生不好意思公開提問，往往都是等老師走到身邊詢問時，才會把問題講出來，我便依據問題做解答示範，如此反覆循環。

直到下課前，讓學生完成此堂課練習，最後再出個回家練習作業，讓學生回去練習，下堂課做講解。

大致上的實體課程規劃是這樣。

但如果把實體教學方式改成遠端線上，就會有許多操作上的問題，尤其是互動部分，必須先思考軟硬體可以提供到甚麼樣的地步，我們又可以藉由甚麼樣的轉換，把實體示範改成線上也可以很清楚呈現的模式。

遠端教學有很多種方式，不管是直播還是預先錄影，都必須先有個平台，才方便管理整個課程進行、至於平台種類有很多，不管是google meet、Microsoft Teams、Zoom、甚至網路社群的直播，都可看你的使用習慣跟需求來挑選，有關這些平台的操作，不是今天我要討論的重點，有興趣的人可以網路搜尋一下，就會出現很多相關的教學，我蠻推薦 台灣線上同步教學社群 這個FB社團，裡面有很多熱心老師會提供技術上的支援與解答。

針對漫畫課程的平台挑選考量，大部分介面使用上不是那麼困難，主要是要挑選適合你課程內容的呈現與操作模式比較重要，上課是件很單純的事，不管是實體或是遠端，千萬不要被線上平台上，一大堆超炫的功能給迷惑，在開始遠端教學前，要先以最簡單直接的方式思考，我該如何運用平台來教課才對，而不是想把平台上的所有功能全部都學會精通，不是所有功能都適合你的教學，這是我給想作遠端教學老師們的一個建議。

在開始遠端教學時我會思考幾個點，我分幾個塊面分享：

登錄管理：
這邊要思考整個遠端教學，漫畫課程會需要甚麼樣的功能，我個人的需求傾向，如果不是公開課程，是否可以控管登陸進來的人員，人數上的限制到多少，方便班上學生的點名？

要不開了一堂課，結果無法設限，來了一堆走錯教室或路人甲乙，原本是要上課的房間，就變成聊天凸槽大會，也挺困擾的，雖然可以關掉重開房間就是，不過一開始就找到可以控管登陸人員的平台，也省下很多麻煩。

再來就是登陸的方式夠不夠簡單，線上教學最怕遇到登陸方式很複雜，要不然就是要填一堆個資之類的，這就跟時下很多漫畫連載網站，每次想點進去看漫畫，卻發現登錄方式限制多多，甚至點選功能很不直覺，這對要推廣漫畫的平台來說，真的是很不友善。

如果說可以一個按鍵就直接進入教室，操作介面很直覺，那就會大大提高學生進來聽課的意願，現行很多平台都有這樣的功能，只要老師設定好房間，給學生連結，學生就可以直接進入，相當簡單便利。

平台介面：
對於平台介面我的需求只有好操作，不複雜，介面簡單，容易上手，哈哈..誰不想這樣。當然越多的功能，就可能會要收費才會打開服務。

上課講師可以控制那些介面或權限，如果上課老師無法控制房間秩序，學生無法控管，不但會打斷講課節奏，甚至還會偏離整堂課主題，所以我會思考平台是否有禁止發言或踢除房間功能，甚至示範畫面時可以點選指定視窗。

因為漫畫教學最重要的就是分享螢幕，但有時螢幕很多參考資料視窗，全螢幕分享，很容易讓學生找不到注視焦點，如果可以指定分享視窗，其他視窗不顯現，當我示範操作或繪圖時，就算家裡開視窗多螢幕，只要指定線上顯示的視窗，畫面就容易聚焦，而且隨時可以做簡報或影片切換，這樣在漫畫課程上的呈現就很足夠了，還有檔案的傳送是否有限制等等，都是我在挑選軟體平台時的介面考量。

至於要不要錄影功能，這個我倒覺得看每位老師需求，其實就算平台沒錄影功能，網路很多側錄軟體都可以做輔助，也可以請助教或學生在過程中另外側錄，都是可以考慮的方式。

我目前都是用google meet來做教學，因為上述我需要的功能都有，簡單的漫畫課程使用也夠用。

硬體設施：
對自己課程需求有想法後，也選定好撥放平台，接下來就是硬體設施，如何把你的影像聲音傳輸出去，學校一定有專門的設備提供，但普通個人在家是無法有那麼多專業設備可用，畢竟我是要用來教漫畫，基本上像是電腦，平板之類的配備都行，一般繪圖者家裡的主機都可以應付，既然要畫圖，數位手繪板一定必備，示範直接用分享螢幕的方式即可，很方便。

常有學生問我遠端上課家裡沒攝影機怎麼辦？

其實攝影機對基礎漫畫課程來說，我覺得挺多餘的，攝影機主要是要看到連線的人，但漫畫課主要以圖像示範為主，我不用看到你，你也不用看到我，一般畫圖的人都很不習慣露臉，大家嬌羞習慣了，所以遠端線上蠻適合漫畫課的，不管是老師或者是學生都不用露臉，直接分享螢幕看技巧比較重要，真有心學習的人，就是會在位置上，一切都是管不住的。

既然攝影機不重要，那燈光甚麼的一起省下來了，上線前的梳理打扮，甚至上課時的濾鏡與背景也一併省去，真是太好了。

除了螢幕分享外，有個配備我倒覺得很重要，那就是老師的輸出設備，麥克風！

常看到很多線上教學，老師的聲音斷斷續續，甚至聽的不是很清楚，或是回音很大，這都會影響電腦另一端學生上課的意願，所以我在做線上教學時，最要求的就是音質問題，是否夠穩定，看不到老師沒關係，但老師上課的聲音一定要準確清楚地傳達給學生，買一支好的收音設備真的很重要。

尤其我做了那麼多集的YOUTUBE影片跟PODCAST廣播後，深切感受到好音質的重要性，很幸運的，當初買了這些配備，剛好用在這個時機點上，錢沒白花。

除了麥克風外，課程過程中也要準備接聽的裝備，可能會有學生語音提問，這時就會需要撥放裝置，例如喇叭或耳機，在這邊我會比較建議老師準備耳機接聽比較好，如果用喇叭，遇到音質不好的聲音，很容易聽不清楚學生在講甚麼？甚至老師喇叭撥放聲音，同時使用麥克風時，常會產生共鳴或回音，學生端的接收就會受影響，所以還是一邊麥克風，一邊用耳機接聽來的清楚。

大致硬體要注意的就這些，其實還有一個東西是大家常忽略的，就是家裡的網路夠不夠力，一般網路都是下載的頻寬大，但如果你是要做遠端教學，就必須思考家中的網路上傳頻寬夠不夠用，因為漫畫課大部分都是圖像傳遞，如果你上傳頻寬不夠力，那接收的學生端，就算有超大下載頻寬，也搭不了妳的上傳速度，反而他們在接收時會有延遲，這都是要去考慮的地方。

主機設備，網路頻寬這個東西，對於遠端教學就是一個關卡，不管是接收或是上傳，遇到網路不順的區域，不管你設備準備多齊全，課程設計再怎麼豐富，直播教學就是效果不好，這時就又要回到是否要錄製過程的考量，畢竟直播連線不順，只好課後慢慢下載完整影音檔，自己在電腦溫習了。

課程呈現：
軟硬體都準備好了，接著就是整個線上課程的重點，就是課程內容如何呈現的問題。

漫畫遠端教學與實體課最大不同就在於，老師學生不處於同一空間，在互動上就會有些不同，如果單純以講課來說，就比較簡單，只要備好簡報，示範教材，甚至影片，就可以開始上線上課。

上課過程要善用螢幕分享，這是遠端教學最重要的技巧，你可以把螢幕當作你的黑板來想，所有講課資訊都是透過螢幕傳達給學生的概念，這樣未來你在備課時就比較會有想法。

一般我上課前會想好這堂課要的主題，然後配置時間段落，準備課程簡報，由於是遠端使用的簡報，除了標題外，可以稍微增加一些重點標註文字，學生看螢幕時比較可以抓住老師講的重點，當然還是不建議那種寫得密密麻麻的文件方式，如果能以圖像作解說更好，畢竟是漫畫課，有圖像會比文字來得吸引學生注意。

當然課程中可以穿插小短片作輔助，帶動整堂課的一個節奏，也是一個很重要的安排。

除了簡報影片，漫畫課最重要的就是實例演練，就是老師會親自畫一輪，搭配講解讓學生知道整個操作過程，這個階段每位老師習慣不一樣，有的老師可以邊畫邊講解，但有的老師可能畫圖時需要專注在圖像上，無法分心講解。

為了讓整個課程節奏不要間斷，我會建議事先用錄影的模式，把繪畫操作過程先錄起來，分享影片時，老師再從旁針對影片作講解，這樣就可以很專注在講解上面，甚至有同學提問，也可以按暫停鍵，回答問題後繼續影片示範，這個方式對於遠端教學來說是很方便的做法。

老師示範完，就可以請同學開始分享他們自己的螢幕，做線上練習，老師可以透過螢幕檢視所有同學操作問題，再一一提出修正建議，其他同學也可以透過螢幕看到，完全不會浪費練習時間。

說到時間，我剛有說我在安排課時，我會作時間配置，整堂課有多少時間，每個時間波段做甚麼事，如果一開始就配置好，你就比較好掌握整個進度與講課節奏。

一般線上學習的專注力不像實體課程，學生會專心坐在座位上聽課，能有一個鐘頭就已經很極限了，所以我會建議老師講課時間最好在50-60分鐘內講完，把剩的時間留給學生演練，在從演練的過程中提出學生問題作線上討論，這樣的操作就比較有效果，因為畫圖時大家會比較專注，一定比坐在位置上聽老師講好幾個小時來的有效率。

以上講的幾種分享方式，足以應付漫畫課程在遠端的示範，當然漫畫課不同於插畫課，除了軟體操作以及圖像外，有些示範或講解部分，端靠目前遠端的方式，還是無法解說的很詳盡，必須用另一種方式來呈現，這不是今天要討論的重點，改天有機會我們再來聊。

互動習作：
實體課與遠端線上課程，除前面講的幾個考量外，還有個比較大的關卡，就是互動問題。

如何與學生互動？這時就要思考要與學生互動到甚麼程度，實體課的互動很直接，線上課程也可以互動，但就少了那麼一點直接的感覺，實體課程，老師在講台上可以全觀所有學生，一眼就可以感受學生的學習狀況。

線上開攝影機的感覺就是不一樣，如果真想要完全達到實體課程那種直接感，實在有困難，目前在漫畫課程上，面對冷冷的設備，最多的就是學生提問，老師解答，完全沒有溫度，這就是我說的，漫畫課程無法全部藉由線上學習的門檻，有些東西還是得面對面才可以體會老師講的，這又是另一個教學話題了。

當然實體與線上都有利有弊，練習的部分可以藉由螢幕分享掌握學生學習狀況，及時提出修改建議，課後的練習可以把習作放在雲端，供學生下載後在家自我練習，練習後的作業一樣可以上傳雲端，老師直接雲端作紅線批改，問題比較大的，或是大家共通的問題，就可以在下一堂課一開始作一個講解示範，這樣整個學習程序就會完整。

在正式上課前，我會先貼公告，請學生進來後，先關掉攝影機跟麥克風，除非點名提問再開麥可風，以免干擾上課收音品質，還有一件很重要的，就是開播上線前一定要先測試，不管是平台或是設備，有時前一天還好好的，隔天就發生完全不行的狀況，所以我習慣上線前幾個小時簡單測試一下所有軟硬體，或找個學生或助教對接一下，確認無誤才安心接下來的線上課程。

其實線上教學除了老師端的問題外，真正要面對的是學生端問題，學生家裡的設備是否足夠應付教學，不是每個家中每個人都有電腦，如果同時間都要上課，一家人搶資源的現象就會發生，老師就要體諒這種狀況，或許錄影正是解決分流的一種作法，不一定大家都要線上直播。

學校也要考慮家中沒設備的學生，是否有可以外借裝置的規劃，畢竟這波疫情影響的是未來教學體系的改變，要回到以往實體課的模式，可能還會有些時日，資源不足的學區如何趕上這波教學變化，希望政府跟學校也要去正視這個問題，畢竟這是學生受教的權利。

希望今天的主題，對準備構思線上課程的老師有幫助，其實我隨時都在思考跟嘗試，漫畫有哪些課程是可以線上呈現的，雖然我還是覺得實體課程比較有人的溫度就是。

如果大家有想聽的課程或想法，歡迎留言給我建議，先從一個簡單無料的方式試試，後續再來調整教學架構，等一切成型，或許哪天我們也都會在線上見了。

我是曾建華，漫漫話畫，我們下次見！！

#遠端教學
#漫漫話畫
#線上課程
#備課超辛苦
#不小心就打了這麼多
#原本是要用來講PODCAST的稿

從EXCEL VBA到Python開發第2次上課

01_重點回顧與BMI計算
02_計算BMI與格式化到小數點第二位
03_邏輯判斷BMI的評語
04_用format格式化資料
05_用for迴圈加總1到99
06_奇數偶數分別加總
07_用step與兩個for迴圈
08_九九乘法表單列輸出
09_九九乘法表多列輸出

完整教學
http://goo.gl/aQTMFS

教學論壇(之後課程會放論壇上課學員請自行加入)：
https://groups.google.com/g/_vbapython117

吳老師教學論壇
http://www.tqc.idv.tw/

課程簡介：入門
建置Python開發環境
基本語法與結構控制
迴圈、資料結構及函式
VBA重要函數到Python
檔案處理
資料庫處理
課程簡介：進階
網頁資料擷取與分析、Python網頁測試自動化、YouTube影片下載器
處理 Excel 試算表、處理 PDF 與 Word 文件、處理 CSV 檔和 JSON 資料
實戰：PM2.5即時監測顯示器、Email 和文字簡訊、處理影像圖片、以 GUI 自動化來控制鍵盤和滑鼠

上課用書：
參考書目
Python初學特訓班(附250分鐘影音教學/範例程式)
作者： 鄧文淵/總監製, 文淵閣工作室/編著
出版社：碁峰 出版日期：2016/11/29

Python程式設計入門
作者：葉難
ISBN：9789864340057
出版社：博碩文化
出版日期：2015/04/02

吳老師 110/9/27

EXCEL,VBA,Python,東吳推廣部,自強工業基金會,EXCEL,VBA,函數,程式設計,線上教學,PYTHON安裝環境

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02_計算BMI與格式化到小數點第二位
03_邏輯判斷BMI的評語
04_用format格式化資料
05_用for迴圈加總1到99
06_奇數偶數分別加總
07_用step與兩個for迴圈
08_九九乘法表單列輸出
09_九九乘法表多列輸出

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作者： 鄧文淵/總監製, 文淵閣工作室/編著
出版社：碁峰 出版日期：2016/11/29

Python程式設計入門
作者：葉難
ISBN：9789864340057
出版社：博碩文化
出版日期：2015/04/02

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05_用for迴圈加總1到99
06_奇數偶數分別加總
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08_九九乘法表單列輸出
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