📜 [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

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#METAEDU『跨域共創』增能培訓工作坊：第2堂「#解密區塊鏈技術與應用工作坊」，讓我們用20分鐘弄懂區塊鏈！從典範移轉破題，深入簡出巧妙的引用經典案例（下半場還有一群助教螢幕後面💻，手忙腳亂帶大家跟上指令的『挖礦』實作），謝謝🙏區塊鏈專家德明財經科技大學 盧瑞山教授🎉🎉🎉

📝重點筆記🌟跟我一起記起來！
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✳️區塊鏈演進史：
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🔸區塊鏈1.0：比特幣👉去中心化的記帳：人類文明史上第一套全球權威帳本，跳過中介銀行，讓所有參與者的電腦一起記帳，做到去中心化的交易系統。
🔸區塊鏈2.0：以太坊👉智能合約的認證：存放電腦程式的應用，用程式寫成的合約，不會被竄改，會自動執行，還可搭配金融交易。
🔸區塊鏈3.0：IOTA👉連接實體生活：落實跨鏈的應用，第三方公證人實現行動化的Dapp，可以加快加密時間。

✳️在教育的應用：
學術和教育證書系統數位文憑，越來越重視資料與資訊的流通，透過區塊鏈技術，可使內容受保護且防止認證造假具真實性。

✳️工業4.0的應用：
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📜 [專欄新文章] Scaling Ethereum 參賽心得

✍️ Johnson

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Scaling Ethereum 是一場由 ETHGlobal 所舉辦的線上黑客松，也是我第一次參加與以太坊有關的黑客松活動，這篇文章就來分享一人參賽的過程與心得。

源起

一開始是在 telegram 群組中得知這場比賽的消息，因緣際會之下剛好有人想組隊參賽，於是就在報名截止的前一天一起跟著報名了。

報名的方式除了填一些基本資料外，最特別的是還要 stack 以太幣，也就是要傳送 0.01 顆以太幣給主辦方，規則是必須在比賽的最後，有提交作品的人才能贖回 0.01 顆以太幣，之後看到 meme 頻道有人留言：

When your project is incomplete but you submit to get back stake.

一方面，這確實也會激勵你好好把比賽完成，就算沒做完也要有些成果上去，這也是主辦方秉持的精神，他們認為大家來黑客松相互學習成長，競賽獎金則是其次。

獎金

比賽方式是由 25 個左右的贊助者（sponsor）分別提供獎金，每個 sponsor 都有錄製一段影片，說明怎麼獲得他們的獎金，大部分會要你使用他們開發的工具，或者必須跟 sponsor 在做的研究有關，去實作出創新的作品。可參考：Prizes — Scaling Ethereum

你的專案可以選擇要投入哪個 sponsor 的獎金，一個專案可以投入多個 sponsor 底下，這樣獲獎機會也會比較高。

我選擇的 sponsor 是 zkSync，他們的說明如下：

zkSync is a user-centric zkRollup developed by Matter Labs. It uses zero-knowledge proofs to keep data availability on mainnet to achieve exponentially lower transaction costs. You may have seen us powering projects such as payments and Gitcoin Grants. We are currently rapidly developing zkSync 2.0, which will feature EVM-compatibility in testnet May 2021, soon followed by zkPorter, our new exponential scalability solution.

PrizeszkSync will be awarding their Prizes as follows:
- 1 winner — 4,000 USDC
- 2 winners — 2,000 USDC
- 4 winners — 500 USDC

We encourage builders to utilize zkSync SDK’s, implemented in JavaScript/Typescript and Rust. Prizes will be awarded to projects that make it simpler and easier for non-technical users to use zkSync, other ideas include integrations of current tools such as in Gitcoin Grants and tools for easy mass payments and multi-sigs.

社群互動

這個 hackathon 很棒的地方是他把使用者體驗做的很好。每個人都會有自己的 dashboard 顯示目前專案的進度和一些訊息。

Check-In #1 和 Check-In #2 的階段會要你提供專案的構想，你隨時都可以修改。主辦方會看你提交的資訊，幫助你找到適合的 sponsor，或是給你一些建議，就算是一人參賽也能感受到回饋。

整個賽程期間，社群都是使用 discord 在互動，discord 裡頭有很多頻道，像是基本的大會報告的頻道，或是一些不重要的迷因、閒聊頻道都有。

每個 sponsor 也都有自己的頻道，我就會在 sponsor-zksync 的頻道詢問技術的問題，例如我想問問 zkSync 一些關於專案構想的意見：

Hi there, I want to build a gas fee relayer which make my ERC-20 token transfer without transaction fee, to be more precise, delegating gas payment by another party. I think this is done by GSN https://opengsn.org/ , but maybe it could built on L2 with zkSync? I’m not sure, could somebody give me some advice about this topic?

zkSync 團隊的人回應我：

This is an amazing idea! This can totally be built, as we support batching transactions which can be used for all kinds of creative things such as paying for transaction fees in an erc-20 token. Your idea seems like a combination of that and the gitcoin grants integration. To get started, I suggest you watch the short 10 minute presentation I made on using the SDK and batching. Looking forward to your project!!

在 Check-In #2 的時候，我提交新版的專案構想，有一個欄位是問：「目前專案遇到什麼阻礙？」我的問題應該是被主辦方貼給 zkSync 的團隊，於是 zkSync 的團隊成員就用 discord 私訊我，貼了一些程式碼教我怎麼使用他們的 Javascript SDK，這突如其來的救援也幫了大忙。

除此之外，主辦方每個禮拜都會寄 email 通知一些重要的活動，賽程期間舉辦了四個 Summits 研討會，邀請世界各地有名的以太坊開發者分享議題，主辦方還有一個自己的 TV 網頁，直播所有的線上活動。這些活動都有錄影，可以在 youtube 看到過去所有的演講內容：https://www.youtube.com/c/ETHGlobal/videos

因為我的作品是使用 zkSync 的 Javascript SDK 製作的，好像也只能投稿 zkSync 作為獎金的 sponsor，不過主辦方在最後一個禮拜，也寄 email 告訴我說可以多投稿不同的 sponsors 看看，他依據我的專案構想給我一些適合的 sponsors 作為參考。

不過最後我還是只投稿了 zkSync，有點懶著再看其他 sponsors 的文件，也覺得其他 sponsors 的題目需要花比較大的功夫才能完成，一個人能力有限，就做點簡單的東西就好。

關於我的專案 — Gas Relay Service

在以太坊的世界，每一筆交易都需要額外付一筆交易費，也就是以太坊的 gas fee。

我的專案是讓「收款人」能夠幫「付款人」支付以太坊的手續費。

在黑客松之前，我就想研究「第三方支付手續費」的議題，因此我大部分時間其實都在研究一般的 meta-transactions 是怎麼實作的，有興趣的人可以看看 simple meta-transactions 的原始碼：https://github.com/chnejohnson/simple-meta-transaction

之後我才開始玩 zkSync 的 SDK，並研究怎麼在 Layer 2 實現第三方支付手續費的問題，以下就附上作品連結以及簡單的專案介紹給有興趣的人參考：https://showcase.ethglobal.co/scaling/gas-relay-service-on-zksync

The target is that token sender can choose to find another account to pay for fee. The another account can be (1) the token receiver’s account, (2) sender’s another account, (3) third party’s account.

In this project, I finished the demo, which is the (1) above, that receiver pay gas fee for the sender.

有趣的是，我在研究 meta-transactions 時學到很多智能合約的寫法，結果在最後專案上都沒用到（沒寫到合約的程式），zkSync Javascript SDK 其實很簡單，他們的文件寫得很清楚。最後 Demo 還是用 zkSync 團隊的成品修改來的…XD。

所幸在沒有懂太多技術的前提下完成了這場黑客松的專案，成功贖回了 0.01 顆以太幣。

評審與決選

整個賽程來到最後一個禮拜，主辦方安排兩天的時間進行 Judges，使用 zoom 進行線上研討會，一個人基本上是 7 分鐘，前 4 分鐘播放 Demo 簡報，後三分鐘會有評審問問題。

第一個問題是說：「Demo 中你是使用 zkSync 的錢包網頁去操作，那實際上你做得部分是什麼？」

我就回答我在他們的網頁上加了一顆按鈕，使用他們的 SDK 做出 gas relay 的功能，還有一個後端的 server 去作 relay。

第二個問題大概是問：「什麼樣的情境下會需要由 receiver 幫 sender 支付 gas fee？」

我的回答是，在一般超商購物的情境，消費者通常只支付商品的價格，不會支付額外的交易費，我認為以太坊的手續費應該屬於軟體的營運成本，由賣方支付比較適合。那如果賣方希望手續費的成本是由消費者承擔，可以直接調高商品的價格。

當然，我英文講得零零落落，希望評審有聽懂就是了…

最後一場直播就是 Finale 決選，主辦方選出十二個隊伍，公開再 Demo 一次，以及提供線上觀眾詢問問題，至此整個賽程就差不多進入尾聲。

決選後的不久，主辦方就公布了這次有獲得獎金的隊伍，幸運拿到了 zkSync 頒發的小獎～

zkSync — Matter Labs

- Zeneth — 2000 USDC
- ZeroSwap — 1500 USDC
- Kangaroo — 500 USDC
- Gas Relay Service — 500 USDC

後記

這次的參賽隊伍中，Zeneth 跟我的主題非常相似：
Zeneth — Use Flashbots to enable arbitrary meta-transactions so EOAs can enter L2s without ETH

另一個我覺得有趣的專案是 Alexandria：
Alexandria — A dApp using STARKs to verify aspects of your identity without revealing more than you should

沒想到主辦方 ETHGlobal 下個月又要再舉辦一場黑客松，有興趣的人可以看看：https://defi.ethglobal.co/ ，這次的主題是 De-Fi。

最後，只要有到 ETHGlobal 的 TV 網頁參加 Summit 研討會的直播，就能夠獲得 POAP 勳章，它就是一個酷東西～😋

POAP: Proof of Attendance Protocol

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我非更看好第四季的加密貨幣， 這個視頻中，我們討論到了與 Twitter 整合比特幣閃電支付系統、Taproot Upgrade、比特幣智能合約、比特幣ETF、Stock-to-Flow Model等等。

本視頻中提到：Strike、Jack Mallers、Twitter、閃電支付、薩爾瓦多、Legal Tender、Western Union西聯匯款、Taproot Upgrade、比特幣智能合約、比特幣ETF、Stock-to-Flow Model、Plan B

時間軸：
0:00 Twitter閃電支付
2:19 薩爾瓦多
4:34 Taproot升級
5:12 比特幣ETF
5:44 第四季數據
6:03 Stock-to-Flow Model
6:56 結語

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