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📜 [專欄新文章] [zkp 讀書會] Cairo 語言介紹

✍️ NIC Lin

📥 歡迎投稿： https://medium.com/taipei-ethereum-meetup #徵技術分享文 #使用心得 #教學文 #medium

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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[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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在十九世紀蒸汽動能機器普遍進入人類社會後，人類生產製造方式產生巨大改變，多數的人力及手工被機器剝奪取代。當時毫無招架能力的人類面對高效率的機器怪獸，也只能拱手讓出職位，許多良民百姓深受失業貧窮之苦，興起了一場工業革命，進而也把人類社會推向一個嶄新的「工業時代」。
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經過兩世紀，隨著電腦、網路的高科技發明，時代的巨輪又將人類逐漸推向「人工智慧時代」。英國牛津大學研究指出『未來十年內，有47% 的工作可能被高科技的人工智慧取代』。另外，Google工程總監雷蒙德．庫茲威爾也預測『到 2045 年，AI 智慧將超越人類智慧，許多人的飯碗恐怕也將被淘汰』。
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人類與 AI 共生共存也已是不可抗拒之命運，尤其又經過了這次的病毒疫情席捲，更加速推動世代的變遷，全人類一批批正往虛擬網路、人工智慧的新世界接踵邁進。因此，現今人類要以工業時代歷史為借鑑，為了避免孩子未來職場被機器人剝奪，在教育觀念上要有所改變，傳統的博聞強記之學應避免，邏輯思考力及創造力才是未來孩子必須培養的能力。
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《Cheers》雜誌也曾在報導上建議『當面對 AI 浪潮，與其仇視 AI 為搶走工作的敵人，不如與它們合作，各取所長，互補其短。充分了解它們的基本概念、運作邏輯是首要之務。』
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為了讓新一代輕鬆能輕鬆面對高科技 AI 未來的瞬息萬變，多年前美國的學校、社區或課後班已提供孩子各種程式教育課程。五、六歲的孩子藉由與各種機器人的互動或簡單的樂高遊戲來接觸程式語言的邏輯概念。尤以科技工程師滿山遍谷的矽谷這帶，程式語言教育開發更甚普遍。
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程式語言對有數理頭腦的孩子是件相當好的創造工具。孩子一進入程式語言變幻莫測的排列組合之間時恍如進入異彩紛呈的魔幻空間，循序漸進地去熟悉掌握語言工具之後，孩子便能發揮能力，激發創意，展現自己。他們大腦不能單單只是被電腦及手機給控制，而是要學會操控這些人工智慧語言，為人類未來建立更美好的新思路。
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前陣子我也起了讓兒子參加程式教育課程的念頭，希望他在閒暇除了跟朋友們相約連線打電動、聊天外，也能涉獵這些娛樂功能背後所隱藏的語言密碼，讓他大腦培養更清晰的邏輯思考力、解決問題能力及激發創造力。
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恰巧台灣「 橘子蘋果兒童程式學苑 」特別來邀請兒子免費體驗他們的線上程式教育課程。對電腦有高度興趣的兒子欣然答應。我預約了美國晚上七點到九點的時段 (台灣早上十點到十二點)讓他在遠端平台上線試試「 Scratch 程式設計課程」。
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起初，我也擔心兒子的中文專業字彙能力有限，會無法吸收課程內容。當準時上線時，專業老師立馬先清楚有條地解說平台的使用方式及上課模式。兒子發現問題馬上可視訊提問，看來師生之間互動交流無障礙，兒子很快便進入學習狀況。
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橘子蘋果所使用的網路教學平台功能相當完善。兒子先根據課程進度逐一觀看教學影片，然後換到學習平台畫面-自行試著把剛剛學到的程式寫出來。雲端教室內的老師可透由平台上看見兒子的編寫的過程，並給予幫助。若語法寫錯無法順利執行操作時，老師即時進行講解以排除障礙。有時他們之間也會用簡單的英文交流。師生之間溝通流暢度及趣味度與親臨現場教室無異。兒子學習過程相當順利且愉快，也成功地設計了第一款小遊戲。
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上完兩個小時的課後，設計遊戲的成就感在兒子內心竄動，他對程式語言的興趣大增，拜託我能幫他報名進階課程。看他喜形於色地玩著自己設計的遊戲時，證明此堂體驗課的學習成效頗大，促使我又進一步去了解整體的課程規劃及報名方式。

學苑主任 Roy 老師，在體驗課後親切詳盡解說了橘子蘋果的創建理念及整套課程的規劃。
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我非常激賞橘子蘋果創辦人 Raymond 自矽谷回台後，十多年來策馬前驅竭力推動台灣兒童的程式教育，成功地開發教材，將四十幾間教室駐點遍佈台灣，並提供規模完善的程式教育環境，課程編排也與時俱進，其優秀的專業師資及教育品質不亞於美國。學成的學員更能進一步與學界、業界進行交流、測驗及比賽，讓熱愛程式語言的兒童能盡情發揮所長，天賦不被埋沒。
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他們目前提供由淺至深提供了一整套國小到國中孩子設計的程式教育課程，包括：

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如果像我們一樣是居住在美西的孩子亦可選擇〈太平洋時間周五或周六晚上7:00-9:00〉上課。
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東吳EXCEL VBA與資料庫雲端設計116第8次

上課內容：
01_重點回顧與人事考評系統
02_人事考評EXCEL公式說明
03_公式轉為VBA與向下追蹤
04_VBA跨工作表與清除資料優化
05_關閉畫面更新與增快執行速度
06_325人事分欄用INDEX與COLUMN與ROW函數
07_補充INEIRECT與MID與LEN函數
08_改為用VBA輸出人事分欄結果
09_增加部門欄未與326題重點
10_326題用班級篩選與複製與Ending

完整教學
http://goo.gl/aQTMFS


吳老師教學論壇
http://www.tqc.idv.tw/

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/forum/?hl=zh-TW#!forum/excel-vba-116

懶人包：
EXCEL函數與VBA http://terry28853669.pixnet.net/blog/category/list/1384521
EXCEL VBA自動化教學 http://terry28853669.pixnet.net/blog/category/list/1384524

課程簡介
五大類函數與自訂函數
一、文字和資料函數
二、邏輯函數
三、日期和時間函數
四、數學和三角函數
五、檢視和參照函數
其他綜合範例

上課用書：
Excel VBA一點都不難：一鍵搞定所有報表
作者： Excel Home
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出版日期：2013/06/26
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吳老師 110/8/23

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