RISC Zero项目简介

1. 引言

RISC Zero为致力于为为全球开发者创建利用ZK技术构建软件所需的基础设施和工具的初创公司。

ZK技术将重塑数字互动的方式。从历史上看，确认软件应用程序正确执行的唯一方法是通过冗余计算。ZK引入了一个新选项：可验证计算（verifiable computation）。

现在可将程序的输出与其self-certifying receipt结合，允许持怀疑态度的第三方验证执行的正确性——而且该verifier不需要重复原始计算，甚至不需要查看程序的输入！

可验证计算改变了我们所依赖的计算基础设施的弹性和经济性。它创造了许多喜闻乐见的新兴用例，如：

• zk coprocessors：支持链上应用将其逻辑复杂的部分移到链下，以降低gas开销。
• 区块链基础设施，包括在与Optimism合作。

当前RISC Zero技术栈有：

• Bonsai：proving服务，为软件开发栈，支持链上（即通过智能合约）和链下应用向RISC Zero zkVM请求和接收proofs。
• RISC Zero zkVM：为可证明任意代码正确执行的高性能工具。
• RISC Zero Proof System：为RISC Zero zkVM底层的密码学技术。

2. Bonsai

Bonsai发布于2023年，为支持链上和链下应用向RISC Zero zkVM请求和接收proofs的proving服务。

Bonsai为：

• 通用ZK证明服务，支持任意链、任意协议、任意应用使用ZK proofs的优势。其高度并行、可编程，并性能优良。
• 支持将ZK proofs直接集成到任意智能合约中，而不需要定制电路。
• 支持将ZK直接集成到任意EVM链的dApps
• 具备支持任意其它生态的潜力。

RISC Zero zkVM是Bonsai的基础，其具备广泛的语言兼容性，当前支持Rust，未来将支持可编译为RISC-V的其它语言，如C++、Go等等。

借助：

• 递归证明
• 专门定做的电路compiler
• state continuations
• 证明算法的持续改进

Bonsai将支持为大量应用生成高性能ZK proofs。

其中RISC Zero团队的Bonsai-ETH Relay作为dApp合约与Bonsai proving服务的中间人。为使用Bonsai ETH Relay，dApp开发者需完成：

• 1）在链上部署一个智能合约，该智能合约调用RISC Zero的relay合约。
• 2）将对RISC Zero zkVM编译的程序上传到Bonsai proving服务。

3. RISC Zero zkVM

RISC Zero zkVM首次发布于2022年4月，可证明任意代码的正确执行，支持开发者以成熟编程语言（如Rust和C++）来构建ZK应用。其发布意味着ZK软件开发的重大突破：

• RISC Zero zkVM，使得开发者不需要构建电路，也不需要以定制语言来编写ZK应用。

RISC Zero zkVM支持开发者以Rust来构建，并利用Rust生态系统的成熟度，使得开发者可迅速构建有意义的ZK应用，而无需任何数学或密码学背景。

相关应用有：

• JSON：证明JSON文件内某元素的内容，而保证其它数据的隐私。
• Where’s Waldo：证明JPG文件中出现了Waldo，但保持该图像的其它部分的隐私。
• ZK Checkmate：证明你发现了a mate-in-one，但不泄露该winning move。
• ZK Proof of Exploit：证明你可利用某以太坊账号，但不暴露该利用。
• ECDSA signature verification：证明某ECDSA签名有效。

所有这些例子都可利用成熟的软件生态：

• RISC Zero zkVM支持当前top 1000 Rust crates的70%多。

支持引入Rust crates，将颠覆ZK软件世界的游戏规则：

• 项目不再需要数月或数年才能开发完成。

RISC Zero在不断改进性能，当前支持CUDA和Metal GPU加速，并借助continuations支持对大型程序的并行证明。

4. RISC Zero Proof System

RISC Zero zkVM执行，会生成一个Receipt，用作特定Session的有效性证明：

pub struct Receipt {
    pub inner: InnerReceipt,
    pub journal: Vec<u8>, //包含该Session的公开输出。
    //journal的内容通过在guest代码中调用`env::commit()`和`env::commit_slice()`来指定。
}
pub struct Session {
    pub segments: Vec<Box<dyn SegmentRef>>, //The constituent Segments of the Session
    pub journal: Vec<u8>, //The data publicly committed by the guest program.
    pub exit_code: ExitCode, //The ExitCode of the session.
    pub hooks: Vec<Box<dyn SessionEvents>>, //The hooks to be called during the proving phase.
}

为确认该Receipt是诚实生成的，可使用Receipt::verify，并将所执行代码的ImageID作为参数，进行验证。

pub fn verify(
    &self,
    image_id: impl Into<Digest>
) -> Result<(), VerificationError>

此外，receipt对该程序的执行做了一些claims，具体见ReceiptMetadata：

pub struct ReceiptMetadata {
    pub pre: SystemState, //The SystemState of a segment just before execution has begun.
    pub post: SystemState, //The SystemState of a segment just after execution has completed.
    pub exit_code: ExitCode, //The exit code for a segment
    pub input: Digest, //A Digest of the input, from the viewpoint of the guest.
    pub output: Digest, //A Digest of the journal, from the viewpoint of the guest.
}

Receipt主要有2种形式：

• 可表示为一组SegmentReciepts，每个SegmentReceipt证明单个Segment。所有SegmentReceipts证明整个Session。
• 可表示为单个SuccinctReceipt，以证明整个session的有效性。借助递归证明，任意数量的SegmentReceipts都可压缩为单个SuccinctReceipt。

pub struct SegmentReceipts(pub Vec<SegmentReceipt>);
pub struct SegmentReceipt {
    pub seal: Vec<u32>,
    pub index: u32,
    pub hashfn: String,
}

pub struct SuccinctReceipt {
    pub seal: Vec<u32>,
    pub control_id: Digest,
    pub meta: ReceiptMetadata,
}

密码学上，每个SegmentReceipt和SuccinctReceipt都是ZK-STARK.

参考资料

[1] RISC Zero简介
[2] RISC Zero Proof System
[3] Bonsai on Ethereum
[4] A Blockchain Developer’s Guide to the zkVM

RISC Zero系列博客

• RISC0：Towards a Unified Compilation Framework for Zero Knowledge
• Risc zero ZKVM：zk-STARKs + RISC-V
• 2023年 ZK Hack以及ZK Summit 亮点记
• RISC Zero zkVM 白皮书
• Risc0：使用Continunations来证明任意EVM交易
• Zeth：首个Type 0 zkEVM