zkLLVM：nil Foundation开发的电路编译器

1. 引言

zkLLVM：nil Foundation开发的电路编译器，不是zkVM。不过，“zkLLVM+proof market”可构建zkVM。

开源代码见：

• zkLLVM Circuit Compiler（C++）

zkLLVM可：

• 将 高级编程语言编写的电路 编译为 LLVM IR（Intermediate Representation） bytecode 表示；
  • 当前支持C/C++（Clang15），即将支持Rust语言编写电路。
• 创建circuit execution trace（又名assignment table）并 生成数据 供Prover生成proof使用；
• zkLLVM的输出 作为 任意ZKP系统的输入，所生成的proof是in-EVM verifiable的。
  • 当前支持Placeholder证明系统，未来将支持其它证明系统。

详细示例可参看examples目录下各文件：

• *.inp：为电路的输入
• *.cpp：为电路的具体实现

2. zkLLVM项目背景

所谓数据可用协议，是指需要读取某些协议的数据（如以太坊）。传统的解决方案为借助Infura，但这需要信任Infura，

nil Foundation想要借助其DBMS，为以太坊和L2构建trustless数据可用协议：

• 为确保trustlessness，需要prove DBMS queries。
• 为生成queries proofs，需要a proof market。
• 为定义query circuits，需要主流语言（C++/Rust/SQL等）的provable compiler（不是zkVM，仅是高效编译器）。——为此，构建了zkLLVM。

3. 总体代码架构

nil Foundation的开源代码主要采用C++实现，总体架构为：

• 1）crypto3-multiprecision库：比普通C++库，所支持的整数、有理数、浮点数、复数、区间数等数据类型的范围和精度都要高。对big number的各种数学运算，以及Boost.Math中的函数运算。
  Multiprecision库可供选择的后端有：
  • GMP
  • MPFR
  • MPIR
  • TomMath
  • Boost-licensed等组合
• 2）crypto3-algebraic库：代数构造模块。包含了：
  • 有限域
  • 曲线
  • Pairing
  • Constexpr BLAS
• 3）crypto3-math库：为crypto3-algebraic库的扩展，提供了：
  • Fast Fourier Transforms（FFT）evaluation算法
  • 多项式运算（Polynomial Arithmetics）
• 4）crypto3-zk库：为零知识密码学工具。当前仅支持SNARK系列的方案，未来将支持STARKs、IOP-based SNARKs、Bulletproofs等。
• 5）zkllvm-blueprint库：Blueprint库定义了Circuit components，供zkLLVM circuit compiler使用。
  支持与crypto3-zk一起使用：
  • blueprint模块负责生成constraint system的input data；
  • crypto3-zk模块将blueprint的输出 作为 输入，用于生成证明。
• 6）crypto3-block库：为block ciphers工具。
• 7）crypto3-stream库：为stream ciphers工具。
• 8）crypto3-codec库：为Encoding/Decoding编解码工具。
• 9）crypto3-hash库：为哈希运算。当前已实现了blake2b、keccak、md4/md5、pedersen、poseidon等哈希算法。
• 10）crypto3-containers库：主要实现了merkle tree、accumulation vector、sparse vector结构。
• 11）crypto3-kdf库：实现了key derivation密钥派生函数。
• 12）crypto3-mac库：实现了Message Authentication Codes（消息认证码）。
• 13）marshalling库：对数据类型进行转换。
• 14）crypto3-modes库：为cipher modes。包括block cipher和stream cipher等。
• 15）crypto3-pbkdf库：实现了基于密码的秘钥派生函数（password-based key derivation functions）。
• 16）crypto3-passhash库：实现了password hash。
• 17）crypto3-pkpad库：实现了Public Key Padding，为公钥方案的填充模块。
• 18）crypto3-random库：为Boost.Random的扩展。
• 19）crypto3-pubkey库：实现了Public Key Cryptography Schemes，为pubkey signing API。
• 20）crypto3-pkmodes库：借助crypto3-pubkey库 实现了Public Key Cryptography Schemes Modes——包括门限签名、聚合签名等。
• 21）crypto3-vdf库：实现了VDF（Verifiable Delay Functions）。详细见Dan Boneh等人2018年论文《A Survey of Two Verifiable Delay Functions》。

附录：nil Foundation系列博客

[1] nil Foundation的基于Solana light client实现的zk-bridge方案
[2] nil Foundation的Solana-Ethereum Bridge Based on Light-Client State Proof Verification
[3] nil Foundation的Mina-＞以太坊 bridge原型已完成
[4] nil Foundation的Placeholder证明系统
[5] nil Foundation的Mina-Ethereum State Proof Verification Applications
[6] nil Foundation的in-EVM Full Mina State Verification