深入理解TinyRAM-ODAILY_RAM:區塊鏈dapp游戲

TinyRAM是由大名鼎鼎的BCTGTV五人組(EliBen-Sasson,AlessandroChiesa,DanielGenkin,EranTromer,MadarsVirza)和SCIPR實驗室提出的一種隨機訪問器架構，旨在成為表達非確定性計算證明性的便捷工具。具體來說，TinyRAM是一種精簡指令集計算機(RISC)，具有字節級可尋址的隨機存取存儲器。它在“擁有足夠表達能力”和“足夠簡約”這兩個對立面之間取得平衡：

?當從高級編程語言編譯時，有足夠的表達能力來支持簡短高效的匯編代碼，以及

?小指令集，指令通過運算電路簡單驗證，利用SCIPR的算法和密碼機制實現高效驗證。

架構

TinyRAM由兩個整數參數化：字長W，需要是2的冪且可以被8整除(這點和現代計算機一樣，如32，64)，以及寄存器的數量K。一般用TinyRAM(W,K)來表示，機器的狀態包括以下內容：

1.程序計數器pc(programcounter)，由W個bit組成。

2.K個通用寄存器，以r0,r1,...,r(K-1)表示，每個寄存器都是W個bit。

3.條件標志flag，由一個bit組成。

4.內存，2^W個字節的線性數組，使用小端約定排列字節。

江蘇銀行年報：將對區塊鏈等技術持續深入研究:4月20日消息，日前，江蘇銀行年報指出，江蘇銀行將不斷優化IT治理體系，加快重大創新項目建設，對5G、區塊鏈、人工智能等技術持續深入研究，在互聯網貸款、智能投顧、線上票據貼現、線上動產質押、跨境業務等領域落地的產品擴面成勢。（經濟參考網）[2020/4/20]

5.2個磁帶(tape)，每個包含一串Wbit的字。每個磁帶都是單向只讀的。其中，一個磁帶是用于公開輸入x，另一個用于私有輸入w。其實就是TinyRAM的輸入載體。

TinyRAM機的輸入是2個磁帶以及內存，輸出是answer指令，該指令有一個參數A，代表返回值，A=0表示接受。也可以使用該指令終止執行程序。

TinyRAM根據執行指令的位置不同有兩種變體：一種變體遵循哈佛架構，另一種遵循馮諾依曼架構。前一種架構的數據和程序存放在不同的地址空間中，且程序是只讀的；后一種架構數據和程序存放在同一個可讀寫的地址空間中。具體用圖表的方式來表示這兩者的區別：

外匯局山西省分局深入推進跨境金融區塊鏈服務平臺試點工作:疫情期間，外匯局山西省分局深入推進國家外匯管理局推出的跨境金融區塊鏈服務平臺的試點工作，專題調研全省中小微外貿企業融資現狀；深入宣傳，促進更多中小微外貿企業了解區塊鏈平臺融資的便利性；加強推動，鼓勵銀行對中小微外貿企業建立專營服務機制；及時引導，推進銀行主動對接中小微外貿企業，開展出口應收賬款融資；“點對點”輔導，加快推進地方法人銀行上線區塊鏈平臺，挖掘中小微外貿企業融資需求。通過外匯局的有效措施，銀行對中小企業融資的積極性有了明顯提高，企業對區塊鏈融資的便利性也越來越了解，銀行擴大了對中小微企業的融資規模，企業獲得了便捷的融資，實現了“一項政策、多方共贏”。截至今年3月底，16家銀行加入了區塊鏈平臺，全省通過區塊鏈平臺累計放款7.65億美元。山西省涉外中小微外貿企業復工復產1458戶，復工率達91%。（金融時報）[2020/4/9]

以下兩個架構的圖示：

在開始更詳細的TinyRAM設計細節之前，我們以官方白皮書的例子說明，TinyRAM是如何做到既簡潔又全面，能夠滿足非確定性的計算問題的。

吉林省法院深入推進區塊鏈技術創新應用:3月2日消息，近日，吉林省法院就今年該省法院網絡安全和信息化建設工作進一步作出部署。其中，部署內容包括整合各類數據資源，實現對法院信息資源的海量存儲、科學分類、多元檢索、深入分析。深入推進區塊鏈技術創新應用，全面加快9個業務場景的創新應用研發。（吉林日報）[2020/3/2]

意義

Alice擁有x，Bob擁有w。Alice想知道算法A(x,w)的計算結果的正確性，但是不想自己計算。這樣的場景，在零知識證明系統中非常常見，有證明者和驗證者，驗證者想知道證明者提供的證據的正確性，但不必自己重新計算一次。TinyRAM架構就滿足這樣的場景，兩個磁帶可以傳入私有輸入w和公開輸入x，證明計算和驗證程序在其中執行。SCIPR實驗室實現的libsnark庫中，已實現了TinyRAM。具體參見：https://github.com/scipr-lab/libsnark.

以CircuitGenerator為例，C程序經過編譯器之后，編譯成TinyRAM的程序，再經過CircuitGenerator之后，生成電路，最后得到zkSNARK電路。

聲音 | 國家醫療保障局副局長：國家醫療保障局將深入研究引入區塊鏈等先進技術:金色財經報道，國家醫療保障局副局長施子海表示，國家醫療保障局將不斷探索創新，深入研究引入5G和區塊鏈等先進技術，加快完善電子憑證功能和推廣應用，不斷優化設計、完善功能、簡化流程，提升群眾使用體驗，加強業務協同。[2019/11/26]

指令

TinyRAM支持29個指令，每條指令都通過1個操作碼和最多3個操作數指定。操作數可以是寄存器名稱或者立即數。除非另有說明，否則每條指令都不會修改flag，且將pc增加i，對于哈佛架構來說，i=1，對于馮諾依曼架構來說，i=2W/8。通常，第一個操作數是指令執行計算的目標寄存器，其他操作指定指令的參數。最后，所有指令都需要機器的一個周期來執行。

指令包含幾種類型，指令名稱和intelx86匯編指令類似，可顧名思義。

●位操作指令：

?and

?or

?xor

?not

●整數操作指令：

?add

?sub

?mull

?umulh

?smulh

?udiv

?umod

聲音 | 中國平安：深入開展人工智能、區塊鏈、云三大核心技術的研發與應用:中國平安（601318）昨日發布了即將在年度股東大會及H股類別股東大會上的決議資料，其中包括《公司2019-2021年發展規劃》，規劃在發展措施中指出，公司持續夯實基礎，深入開展人工智能、區塊鏈、云三大核心技術的研發與應用，深度賦能核心業務的客戶經營、渠道管理、客戶服務、風險管控等方面，推動業務價值提升和創新公司孵化。[2019/3/29]

●shift操作指令：

?shl

?shr

●比較操作指令

?cmpe

?cmpa

?cmpae

?cmpg

?cmpge

●move操作指令

?mov

?cmov

●jump操作指令

?jmp

?cjmp

?cnjmp

●內存操作指令

?store.b

?load.b

?store.w

?load.w

●輸入操作指令：

?read

●輸出操作指令:

?answer

匯編語言

TinyRAM的程序是由TinyRAM匯編語言編寫的，這個語言受Intelx86匯編語言語法啟發。程序是包含多行TinyRAM匯編代碼的文本文件。程序按照哈佛架構還是馮諾依曼架構的不同，第一行包含的字符串也不同：

?哈佛架構

“;TinyRAMV=2.000M=hvW=WK=K”

?馮諾依曼架構

“;TinyRAMV=2.000M=vnW=WK=K”

其中，W是十進制表示的字長，K是十進制表示的寄存器數量。程序文件中，其他每一行依次包含的內容需要滿足：

1.可選的空格。

2.可選的label，用于定義為引用其后的第一條指令。

3.可選的指令，由指令助記符，以及后面的操作數。

4.可選的空格。

5.可選的以分號;開始的注釋，到該行尾結束。

一個程序中，最多可以有2^W個指令。一個label只能定義一次，有點像高級語言中的變量。

示例代碼(https://github.com/scipr-lab/libsnark/blob/master/tinyram_examples/answer0/answer0.s)

為了滿足計算的需要，提高電路可滿足性的效率，TinyRAM增加了前導語。如果一個TinyRAM的程序以前導語的方式啟動，則說明該程序是個合適的程序。

上述的前導語：

?對于哈佛架構來說，I(i)=1*i，并且inc=1

?對于馮諾依曼架構來說，I(i)=2W/8*i，并且inc=W/8

前面的示例代碼，也遵循這樣的前導語寫法。

兩種架構的性能對比

TinyRAM的兩種架構，其設計區別在前面的“架構”部分介紹了，此處對比兩種架構的性能。

第一個圖表展示兩種架構產生的門數量。

l是指令數量，n是輸入大小，T是執行步數。

可以看出，前者的門數量和指令數量呈線性增加。后者改善很大，指令越多，改善的越大。

第二個圖表展示兩種架構在不同字長的曲線下，生成Keygenerator/prover/verifier的時間及proof大小。

可以看出，在80bit時，馮諾依曼架構相較于哈佛架構有較大提升，在128bit時，也有少許提升。

由上述表格數據可以看出，馮諾依曼架構的效率更高，這也是為什么馮依諾曼架構TinyRAM是后來在哈佛架構TinyRAM的基礎上提出的。

總結

我們講了TinyRAM的架構，設計，匯編指令等，介紹了它的優勢：可以用來便捷的進行非確定性計算。尤其在零知識證明系統中，有更多的發揮空間。最后介紹了兩種TinyRAM架構的性能對比，在生成的門數量和時間以及proof大小上，馮諾依曼架構都更勝一籌。

引用

http://www.scipr-lab.org/doc/TinyRAM-spec-2.000.pdf

https://www.cs.tau.ac.il/~tromer/slides/csnark-usenix13rump.pdf

http://eprint.iacr.org/2014/59

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