ZK*FM：RISC Zero zkVM的形式化验证

1. 引言

开源代码见：

• https://github.com/risc0/risc0-lean4（Lean和Rust）

ZK*FM为RISC Zero zkVM的形式化验证：

• ZK：The computer ran the right program。
• FM：The program did the right thing。
• ZK*FM：The computer did the right thing。

可使用FM来证明RISC Zero的ZK tools确实work as advertised。

https://github.com/risc0/risc0-lean4 的FM proofs与现有的RISC-V形式化算法工具兼容，从而：

• 可创建具有end-to-end correctness proofs的应用。

借助Coq proof assistant，将可证明：

• 1）（Completeness）RISC Zero’s verifier accepts every valid receipt：
  • and every valid execution has a valid receipt。
• 2）（Soundness）RISC Zero’s verifier rejects invalid receipts with high probability：
  • under certain well-specified assumptions。
• 3）（Uniqueness）RISC Zero’s verifier is uniquely determined by its specification：
  • meaning that any two implementations must agree on all inputs。
• 4）（Compatibility）RISC Zero’s verifier characterizes RV32IM：
  • including RISC Zero’s host <-> guest MMIO model and platform extensions。

从而可带来：

• 1）A precise description of RISC Zero’s security model。
• 2）An interactive textbook that explains RISC Zero’s system from the ground up。包括但不限于：
  • Finite fields
  • Lagrange interpolation
  • Number theoretic transform
  • Reed Solomon proximity
  • SHA2
  • HMAC
  • DRBG
  • Random oracles
  • Fiat-Shamir
  • DEEP ALI
  • FRI
  • RISC-V
• 3）A formally verified verifier，compiled by a formally verified toolchain。
  • 3.1）Written in Coq
  • 3.2）Compiled to C by CertiCoq
  • 3.3）Compiled to x86/ARM/RISC-V by compcert
• 4）Compatibility with the existing RISC-V formal methods ecosystem。相关工具有：
  • Verifiable C
  • CertiCoq
  • compcert
  • bedrock/bedrock2
  • sail-riscv

具体的实现方式为：

实际实现要花费很长时间：

• 需花费时间来填补所有空白。
• 即使都“完成”了，将仍需要维护。

尽管将花费很长时间，但仍可接受：

• 学术论文也有很多空白，但其仍然有用。
• we are committed to precision——致力于精确。

RISC Zero zkVM的形式化验证，影响深远：

• 1）对用户来说，有能力证明the computer did the right thing。
• 2）对科学家和工程师来说，有能力execute with confidence。
• 3）对FM社区来说，额外支持了RISC-V形式化生态。
• 4）对ZK社区来说，精准描述了RISC-V stack。

参考资料

[1] RISC Zero团队2022年5月视频 “RISC Zero: General Purpose Zero-Knowledge Computation” (Brian Retford et al.) 第46分钟开始，主题为——ZK*FM: Formally verifying a ZK RISC-V system

RISC Zero系列博客

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• RISC Zero zkVM性能指标
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• RISC Zero zkVM架构
• RISC-V与RISC Zero zkVM的关系
• 有限域的Fast Multiplication和Modular Reduction算法实现
• RISC Zero的Bonsai证明服务
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• RISC Zero的手撕STARK
• RISC Zero zkVM guest程序优化技巧 及其 与物理CPU的关键差异