Miden 深度解析：基於 STARK 的高性能零知識虛擬機架構
深入解析 Polygon Labs 推出的 Miden 虛擬機架構，探討其如何通過 STARK 零知識證明技術實現高性能、可擴展且隱私友好的 ZK-Rollup 解決方案，助力 Web3 基礎設施邁向新紀元。一、引言
隨着區塊鏈規模化應用的不斷深入，隱私保護和可擴展性已成爲整個行業亟待解決的核心難題。零知識證明（ZKP）技術的出現，爲同時兼顧這兩者提供了切實可行的路徑。正如以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 所言，“高度高效的零知識證明（ZK-SNARKs）能夠在保護我們的身分隱私的同時，揭示足夠的信息以證明我們的可信度” 。他在近期一篇題爲《Why I support privacy》的博文中進一步指出：“支持所有人的隱私，並使必要的工具開源、通用、可靠且安全，是我們這個時代面臨的重要挑戰之一。”
隱私不僅是個人權利，更是去中心化和抗審查的基石。與此同時，ZK-Rollup 作爲 Layer 解決方案的領頭羊，正在快速演進，從早期側重可擴展性的 zkSync、Optimism，一直到如今的 zkEVM，都在不斷向性能與兼容性妥協尋求平衡。Miden 正是在此背景下崛起的全新方案——它不僅借助 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge：一種零知識證明技術，它可以在不透露計算細節的情況下，讓別人快速、放心地驗證結果，而且安全性強、抗量子攻擊、不需要任何“可信第三方”。證明系統的高效性，還進一步將執行與狀態推向用戶端，重新定義了“可組合隱私 Rollup” 的概念。
二、Miden 簡介
Miden 由 Polygon Labs 孵化，並於 2025 年春季獨立成爲 0xMiden 項目，定位爲一條“邊緣區塊鏈”（Edge Blockchain）。與傳統需將所有交易上鏈執行的 Rollup 不同，Miden 將大部分計算和證明生成過程遷移至客戶端設備，再將小巧的 STARK 證明提交給網路進行驗證。Polygon 官方博客指出：“Miden 將繼續演進，成爲一條零知識驅動的‘邊緣’區塊鏈，將執行和狀態移動到客戶端。與 Sui、Aptos、Solana 等傳統鏈不同，Miden 爲部署可擴展、隱私友好應用解鎖了全新的設計空間。在將狀態與執行下沉到用戶設備後，開發者可以構建復雜邏輯與混合公私有狀態的強大系統，同時保持用戶機密性與合規性。”
Miden 的核心優勢體現在以下幾個方面：
- 高吞吐與並行執行：受 Actor 模型啓發，每個帳戶（Actor）獨立執行並生成證明，消除了全局鎖競爭，極大提高了並行性和吞吐量。
- 隱私優先與可選公開：默認私有帳本僅存狀態承諾，必要時可選擇公開特定交易或合約調用，實現靈活的隱私策略。
- 客戶端本地證明：利用 STARK 的透明性與高效性，客戶端設備即可在 1–2 秒內完成復雜交易的證明生成，北京時間 2025 年 5 月 6 日，主流 MacBook Pro 上常見證明生成成本約 90K 週期。
- 兼容以太坊安全：Miden Rollup 的匯聚層（AggLayer）與以太坊主網緊密結合，繼承其強大的安全保障與去中心化特性。
具體來說，Polygon Miden 網站上介紹：“使用 Polygon Miden，開發者可以構建新穎的高吞吐、隱私友好型應用，涵蓋支付、DeFi、數字資產與遊戲，且應用與用戶安全依托以太坊與 AggLayer” 。截至目前，Miden 已完成 VM 開源、開發者工具包 SDK 發布，並進入 Alpha 測試網 v6 階段，距離主網上線的第四季度 2025 目標日益臨近。
總結而言，Miden 通過“客戶端執行 + ZK 證明 + 邊緣架構”三者結合，不僅爲可量化隱私與無限擴展性提供了新範式，也爲下一代 Web3 基礎設施奠定了技術基礎。接下來，我們將深入剖析其 VM 架構與證明系統。
三、Miden VM 架構詳解
Miden VM 是一個專爲高效零知識證明而設計的圖靈完備虛擬機，其核心目標是在客戶端設備上本地執行智能合約邏輯，並生成可在鏈上快速驗證的 STARK 證明。以下分四個子部分深入剖析其架構組成與執行流程。
3.1 棧式虛擬機與指令集
棧式執行模型
Miden VM 採用棧機（stack machine）架構，所有指令的輸入和輸出都通過操作棧進行。這種設計大幅簡化了證明時的狀態表示，因爲只需記錄棧的讀寫操作，無需維護復雜的寄存器狀態。RISC-like 精簡指令集
虛擬機指令集盡量保持簡單——類似精簡指令集（RISC）——以減少可證明約束（constraints）數量。例如，算術運算、邏輯運算、棧操作和控制流指令被切分爲最基本的微原語（micro-ops），每條指令在證明時映射到有限域算術關係。Miden VM 能高效地將每條指令的執行轉化爲代數約束，通過 STARK 生成和驗證，證明大小與程序復雜度松耦合。
3.2 程序內存組織
Miden VM 在執行過程中，程序狀態分布在以下幾個邏輯段中：
Miden VM 內存段職責表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
這種多段分離的內存模型不僅便於表達不同數據訪問模式，也有助於在證明構造中對各段獨立約束，優化查表和並行度。
3.3 執行流程與證明生成
Miden VM 架構示意圖（圖源：Gate Learn 創作者 Max）
加載與初始化
客戶端加載合約字節碼到 Code Segment，準備執行上下文，並從鏈上或側鏈通道獲取必要的 Advice Tape 輸入；同時加載帳戶或 note 的初始狀態承諾。Trace Table 構建
在執行過程中，VM 會按指令順序記錄“Trace Table”——一張多列表格，每列代表內存段或棧頂位置的狀態隨時間的演變軌跡。AIR 轉換
Trace Table 被轉換爲代數中間表示（Algebraic Intermediate Representation, AIR），將對 VM 行爲的所有一致性條件（如棧指針增減、指令語義）編碼爲多項式約束。STARK 證明
Prover 針對 AIR 生成 STARK 證明。由於 STARK 具有透明性（無需可信設置）和高效性，客戶端只需 O(N log N) 的時間即可處理數千條指令級 Trace。Verifier 驗證
驗證者僅需檢查提交的多項式評估與低維抽樣，復雜度約爲證明大小的多項式級別，通常在幾十毫秒內完成，極大提升鏈上吞吐。
整個執行與證明流程在 Miden 客戶端平均耗時約 1–2 秒（約 90K VM 週期），而鏈上驗證則更快，可實現大規模並行交易驗證 。
3.4 並行性與可組合性
Actor 模型
Miden VM 將每個帳戶（或 note）視爲獨立 Actor，其執行與狀態更新完全解耦。這使得多個交易腳本可以在客戶端並行執行、並行生成證明，然後批量提交給網路聚合驗證。 Actor 模型結合零知識證明，讓用戶本地證明狀態轉移，再由網路並行聚合，大幅提高吞吐。可組合腳本
通過 Foreign Procedure Invocation（FPI），一個合約腳本在執行時可以調用另一個合約的“只讀”過程，而無需中斷本地證明流程。FPI 本質上將跨合約只讀調用的狀態讀操作也納入同一 Trace Table，實現了高效組合。
3.5 通俗解釋：Miden VM 像什麼？
可以將 Miden VM 想象成一個“隱私計算微型工廠”，在用戶手機裏本地執行任務，還能隨手帶出一張官方認證的“工作記錄”，發給主網驗證。
舉例說明：
假設你使用一個鏈上 RPG 遊戲，在鏈上買下一塊土地，然後用遊戲金幣建造了一座城堡。
在傳統智能合約中：你的所有操作（位置、資金流、建造行爲）都必須上鏈執行，信息完全公開，既浪費區塊空間，也泄露隱私。
使用 Miden VM：
- 所有邏輯——“我有沒有足夠金幣？是否在正確位置？建築規則是否合規？”——都在你的手機上本地執行；
- 然後 Miden VM 在你手機中生成一個數學證明（STARK proof），告訴網路：“這位用戶確實按照規則做了事”；
- 鏈上不需要知道你怎麼建的，只驗證證明是對的，狀態更新即可。
這種設計的好處是：
- 網路不必執行每筆交易，只需驗證證明，節省資源；
- 用戶的操作可以完全私密，只在需要時選擇性公開；
- 多個玩家可以同時執行自己的邏輯、生成自己的證明，並行性極高，不搶佔鏈上資源。
綜上，Miden VM 的架構關鍵在於簡化可證明指令、多段內存分離、高效 Air→STARK 流水線以及Actor 並行模型，確保了在客戶端設備上既能輕鬆表達復雜邏輯，又能在鏈上以極低成本完成證明驗證，爲下一代高性能、隱私友好的 ZK-Rollup 應用提供了堅實基礎。
四、Miden 的證明系統：STARK 驅動的可驗證執行引擎
Miden 證明系統示意圖（圖源：Gate Learn 創作者 Max）
在 Miden 中，零知識證明不僅僅是“附加模塊”，而是整個協議的核心運行機制。Miden 構建在 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge）系統之上，設計上從一開始就爲“本地執行 + 零知識證明”量身定制。這一部分將深入解析 Miden 的證明流程及其背後的數學機制，解釋爲何 STARK 是其首選。
4.1 爲什麼選擇 STARK 而不是 SNARK？
相較於廣泛用於 zkEVM 等項目的 SNARK，Miden 選擇 STARK 技術，背後有三點關鍵理由：
無需可信設置（Transparent）
STARK 使用哈希函數（如 Rescue、Blake3 等）而非橢圓曲線密碼，不依賴可信初始參數。這消除了“多方計算（MPC）可信設置失敗”所帶來的中心化風險。抗量子攻擊
STARK 基於哈希安全性，在面對未來量子計算威脅時更加穩健。證明生成快速、驗證高效
盡管 STARK 的證明比 SNARK 略大，但驗證速度更快，更適合鏈上大規模並行驗證。
Polygon Labs 的研究團隊表示：
“Miden 選擇 STARK，不是爲了兼容舊範式，而是爲最大化可擴展性和安全性設計全新系統。”
4.2 Trace Table 與執行軌跡
在傳統計算中，我們可以記錄程序執行的每一步，例如每次變量賦值、函數調用。而在 Miden VM 中，這些操作都會轉化爲執行軌跡（execution trace）——也就是一張名爲 Trace Table 的表格，包含程序每一步在時間維度上的狀態快照。
Trace Table 的每一列代表某個寄存器、內存單元或棧頂值的演化過程；
每一行則表示程序運行中的某個時刻（cycle）。
例如：
每條 Miden 指令都能被精確記錄並轉換爲約束條件，以用於下一階段的證明構建。
4.3 AIR（代數中間表示）
Trace Table 構建完成後，下一步是將其轉換爲 AIR（Algebraic Intermediate Representation）。這是一種將程序語義表示爲多項式約束的方式，核心思想包括：
- 每條規則如 “加法運算後棧頂等於兩個數之和”，可表示爲：“stack[0]_next = stack[0]_curr + stack[1]_curr”
- 所有規則在一個有限域（finite field）中驗證，確保 STARK 系統能夠高效生成證明。
- 使用 Low Degree Extension（LDE）技術將離散數據擴展爲連續函數，使得欺騙性修改行爲可被概率檢驗發現。
通過 AIR，Miden 能將“執行是合法的”這一主張編碼爲數學上的可驗證陳述。
4.4 STARK 證明流程
完整的 STARK 證明生成包括以下步驟：
- Prover 構建執行軌跡（Trace）：根據用戶本地執行的智能合約邏輯生成 Trace Table；
- 轉換爲 AIR 系統：將每條指令映射爲代數約束；
- 低度擴展與承諾：通過 Merkle Tree 等機制對擴展後的數據做承諾；
- Fry（FRI）協議：對多項式低度性進行驗證，確保 Trace 合法；
- Proof 輸出：生成一份體積約爲 30–100KB 的證明，用戶提交給網路。
這個流程全部在客戶端完成，平均僅需 1–2 秒，即使在移動設備上也能運行（若性能不足還可委托外部 prover 服務）。
4.5 鏈上驗證與狀態更新
Miden 鏈上的 Verifier 合約（繼承於 Ethereum）會對收到的 STARK 證明進行以下操作：
- 快速驗證 AIR 是否成立（通過採樣驗證方式）；
- 檢查公開輸入（如狀態承諾、區塊高度）是否匹配；
- 更新全局狀態（如帳戶存儲樹、Nullifier）；
- 註冊 note 的新狀態或消費狀態。
得益於 STARK 的透明性和並行性，Verifier 可以同時驗證數千筆交易的證明，極大提高吞吐量，降低鏈上負載。
4.6 通俗解釋：Miden 的 STARK 證明系統就像一份“數學級的收據”
你可以把 Miden 的零知識證明流程想象成一次“無紙化的銀行業務”：
比喻場景：
假設你到銀行辦理轉帳業務，但你不想讓銀行知道你轉了多少錢、給了誰，也不希望他們看到你的帳戶餘額。但你又希望銀行確認你沒有透支、你確實有錢、操作是有效的。
這時候你：
- 在家用你的計算器和表格做了轉帳計算；
- 生成一份數學“收據”（STARK 證明），上面寫着“我按規則做了、沒多花錢、也沒造假”；
- 把收據寄給銀行，而不是寄帳單；
- 銀行只看“收據”，用數學方法驗證你說的是對的，就通過了轉帳；
- 銀行不知道你具體轉了什麼，只知道“這事沒問題”。
在 Miden 中：
- “你”就是用戶的客戶端；
- “計算器”是 Miden VM；
- “數學收據”就是 STARK 證明；
- “銀行”是以太坊上的 Miden Verifier；
- “是否有錢”“是否違規”全部由本地計算並用數學證明說服網路；
- 整個過程不需要透露具體細節，也不用別人重新跑一遍你的程序。
這種“只證明，不公開”的思路就是零知識（Zero-Knowledge）的精髓。
小結
Miden 並未將 ZK 當作附加組件，而是將其深度融合進 VM 的每一次指令執行中。通過 Trace → AIR → STARK 的證明管線，Miden 實現了真正意義上的 本地執行、鏈上驗證、零泄露隱私 的區塊鏈執行模型，也開創了基於 STARK 的應用層虛擬機先河。
五、Miden 開發體驗與工具概覽
Miden 開發體驗與工具匯總表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
Miden 的開發體驗專爲 ZK 應用設計，結合模塊化、類型安全和本地執行優勢，讓開發者既能靈活構建系統，又能安全發布到鏈上。
六、典型應用與使用場景：Miden 能做而其他鏈做不了的事
6.1 “訂單匹配不再上鏈” —— DeFi 的下一步
在傳統鏈上構建訂單簿式 DEX，意味着每一個買賣撮合都需要寫入區塊。這不僅昂貴、延遲大，還容易被搶跑（MEV）收割。
Miden 怎麼做？
- 撮合發生在客戶端（手機/服務器）；
- 用戶打包一批交易，生成一個 ZK 證明；
- 網路驗證“這些交易是合法的”即可，無需逐筆上鏈；
- 所有交易細節對外隱匿，僅結果更新狀態。
結果：交易快、費用低、無 MEV，構建高頻交易、鏈上做市等成爲現實。
6.2 錢包不再只是地址，而是智能“身分終端”
EVM 錢包與 Miden 錢包對比表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
在 Miden，每個帳戶都是智能合約，“錢包”變成你能定義規則的身分終端，用戶體驗與銀行 App 無異，但保留鏈上自托管優勢。
6.3 遊戲中的道具屬性，爲什麼一定要被所有人看到？
遊戲場景舉例：
你在一款鏈上 MMORPG 中挖到了一把隱藏屬性的“稀有之劍”，但只要上鏈，別人就知道它有加成、值錢、可以搶你。
Miden 如何解決：
- 遊戲邏輯與屬性本地執行；
- 屬性加成、冷卻時間、技能等作爲私有狀態藏於本地；
- 通過 ZK 證明，告訴主鏈“這把劍擊敗了怪物”，但不暴露劍的屬性；
- 其他玩家只知道你贏了，不知道你用的是什麼。
這實現了真正公平但保密的遊戲體驗，Web3 遊戲終於能做到不劇透且防外掛。
6.4 私密支付 ≠ 不合規
在以太坊上：支付 1 ETH 給某人 = 告訴全世界你給了誰、在什麼時候、給了多少錢。
在 Miden：
- 你可以設定交易只對“可信驗證人”可見；
- 合規機構可驗證交易存在且符合法規，但無法重建全圖；
- 可實現“隱私可證明 + 審計可用 + 用戶控制”的支付系統。
典型應用包括 DAO 財庫管理、跨國企業支付、鏈上工資、Web3 銀行等。
6.5 新範式：鏈下 AI + 鏈上證明
Miden 允許你在本地跑一個 AI 模型（如預測市場價格、醫療建議），然後將結果通過 STARK 證明提交區塊鏈。
示例流程：
- 模型本地運行；
- 用戶生成 ZK 證明：“這是模型按照某組數據得出的結果”；
- 主鏈只驗證“執行合法”，不知過程、不知輸入。
這讓應用能夠在保留模型知識產權和用戶隱私的前提下，構建可信的鏈上交互。例如醫療 AI、風險控制模型、企業決策邏輯等，均可實現“黑箱驗證”。
6.6 小結
Miden 不只是一個加速器或隱私擴展層，它代表了一種全新的範式：從“鏈上帳本”到“鏈上可信計算系統”，Miden 使開發者能夠構建真正安全、可組合、可審計但不透明的 Web3 應用。
七、挑戰與展望
盡管 Miden 展示了零知識技術在擴展性、隱私性和開發範式上的巨大潛力，但作爲一個新興架構，它仍面臨一系列挑戰。
- 開發者生態尚處早期階段。相比於成熟的 EVM 生態，Miden 的工具鏈、語言支持、組件庫仍在完善中。雖然 Rust 編譯支持正在開發，但目前大多數智能合約仍需使用 MASM 編寫，這對非底層開發者形成一定門檻。
- STARK 證明盡管透明高效，但生成體積仍較大，這對移動設備或帶寬受限用戶提出了更高要求。雖然未來可以通過聚合證明、專用 proving service 等方式緩解，但在短期內仍是可用性瓶頸之一。
- 隱私與合規的張力依然存在。雖然 Miden 提供靈活的“可驗證但不透明”的機制，但監管環境的復雜性可能對某些應用模式形成限制。開發者需要在構建隱私保護系統的同時，提供可審計性、可控性與安全性，達成與現實合規框架的平衡。
展望未來，Miden 的發展路線清晰明確。隨着 Rust 工具鏈的成熟、開發模板和組件生態的擴展、以及與 Polygon AggLayer 主網的集成，它有潛力成爲 Web3 應用的默認運行時 —— 尤其是那些追求高復雜度邏輯、強隱私控制與低鏈上足跡的場景。Miden 所開啓的“客戶端證明 + 鏈上驗證”的範式，或許正是鏈上計算真正規模化的關鍵通道。
Miden 發展路線圖（來源：Miden 官方文檔）
八、結語
Miden 並不是對傳統區塊鏈架構的小修小補，而是一種徹底重構。它以零知識證明爲核心，將交易執行和狀態管理推向客戶端，讓網路僅承擔驗證與共識。這樣一來，性能、隱私與安全不再是互相妥協的選項，而可以同時兼得。
通過 Miden，開發者可以構建更復雜、更私密、更靈活的應用，而用戶也將獲得更高的掌控權和安全性。它不僅拓展了區塊鏈的技術邊界，也爲 Web3 應用打開了全新的想象空間。隨着生態的逐步完善，Miden 有潛力成爲下一代 Web3 基礎設施的核心組成部分。未來區塊鏈的發展方向，也許就在“鏈上可信驗證 + 鏈下自由執行”的這一範式之中。
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Miden 深度解析：基於 STARK 的高性能零知識虛擬機架構
一、引言
二、Miden 簡介
三、Miden VM 架構詳解
四、Miden 的證明系統：STARK 驅動的可驗證執行引擎
五、Miden 開發體驗與工具概覽
六、典型應用與使用場景：Miden 能做而其他鏈做不了的事
七、挑戰與展望
八、結語
一、引言
隨着區塊鏈規模化應用的不斷深入，隱私保護和可擴展性已成爲整個行業亟待解決的核心難題。零知識證明（ZKP）技術的出現，爲同時兼顧這兩者提供了切實可行的路徑。正如以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 所言，“高度高效的零知識證明（ZK-SNARKs）能夠在保護我們的身分隱私的同時，揭示足夠的信息以證明我們的可信度” 。他在近期一篇題爲《Why I support privacy》的博文中進一步指出：“支持所有人的隱私，並使必要的工具開源、通用、可靠且安全，是我們這個時代面臨的重要挑戰之一。”
隱私不僅是個人權利，更是去中心化和抗審查的基石。與此同時，ZK-Rollup 作爲 Layer 解決方案的領頭羊，正在快速演進，從早期側重可擴展性的 zkSync、Optimism，一直到如今的 zkEVM，都在不斷向性能與兼容性妥協尋求平衡。Miden 正是在此背景下崛起的全新方案——它不僅借助 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge：一種零知識證明技術，它可以在不透露計算細節的情況下，讓別人快速、放心地驗證結果，而且安全性強、抗量子攻擊、不需要任何“可信第三方”。證明系統的高效性，還進一步將執行與狀態推向用戶端，重新定義了“可組合隱私 Rollup” 的概念。
二、Miden 簡介
Miden 由 Polygon Labs 孵化，並於 2025 年春季獨立成爲 0xMiden 項目，定位爲一條“邊緣區塊鏈”（Edge Blockchain）。與傳統需將所有交易上鏈執行的 Rollup 不同，Miden 將大部分計算和證明生成過程遷移至客戶端設備，再將小巧的 STARK 證明提交給網路進行驗證。Polygon 官方博客指出：“Miden 將繼續演進，成爲一條零知識驅動的‘邊緣’區塊鏈，將執行和狀態移動到客戶端。與 Sui、Aptos、Solana 等傳統鏈不同，Miden 爲部署可擴展、隱私友好應用解鎖了全新的設計空間。在將狀態與執行下沉到用戶設備後，開發者可以構建復雜邏輯與混合公私有狀態的強大系統，同時保持用戶機密性與合規性。”
Miden 的核心優勢體現在以下幾個方面：
- 高吞吐與並行執行：受 Actor 模型啓發，每個帳戶（Actor）獨立執行並生成證明，消除了全局鎖競爭，極大提高了並行性和吞吐量。
- 隱私優先與可選公開：默認私有帳本僅存狀態承諾，必要時可選擇公開特定交易或合約調用，實現靈活的隱私策略。
- 客戶端本地證明：利用 STARK 的透明性與高效性，客戶端設備即可在 1–2 秒內完成復雜交易的證明生成，北京時間 2025 年 5 月 6 日，主流 MacBook Pro 上常見證明生成成本約 90K 週期。
- 兼容以太坊安全：Miden Rollup 的匯聚層（AggLayer）與以太坊主網緊密結合，繼承其強大的安全保障與去中心化特性。
具體來說，Polygon Miden 網站上介紹：“使用 Polygon Miden，開發者可以構建新穎的高吞吐、隱私友好型應用，涵蓋支付、DeFi、數字資產與遊戲，且應用與用戶安全依托以太坊與 AggLayer” 。截至目前，Miden 已完成 VM 開源、開發者工具包 SDK 發布，並進入 Alpha 測試網 v6 階段，距離主網上線的第四季度 2025 目標日益臨近。
總結而言，Miden 通過“客戶端執行 + ZK 證明 + 邊緣架構”三者結合，不僅爲可量化隱私與無限擴展性提供了新範式，也爲下一代 Web3 基礎設施奠定了技術基礎。接下來，我們將深入剖析其 VM 架構與證明系統。
三、Miden VM 架構詳解
Miden VM 是一個專爲高效零知識證明而設計的圖靈完備虛擬機，其核心目標是在客戶端設備上本地執行智能合約邏輯，並生成可在鏈上快速驗證的 STARK 證明。以下分四個子部分深入剖析其架構組成與執行流程。
3.1 棧式虛擬機與指令集
棧式執行模型
Miden VM 採用棧機（stack machine）架構，所有指令的輸入和輸出都通過操作棧進行。這種設計大幅簡化了證明時的狀態表示，因爲只需記錄棧的讀寫操作，無需維護復雜的寄存器狀態。RISC-like 精簡指令集
虛擬機指令集盡量保持簡單——類似精簡指令集（RISC）——以減少可證明約束（constraints）數量。例如，算術運算、邏輯運算、棧操作和控制流指令被切分爲最基本的微原語（micro-ops），每條指令在證明時映射到有限域算術關係。Miden VM 能高效地將每條指令的執行轉化爲代數約束，通過 STARK 生成和驗證，證明大小與程序復雜度松耦合。
3.2 程序內存組織
Miden VM 在執行過程中，程序狀態分布在以下幾個邏輯段中：
Miden VM 內存段職責表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
這種多段分離的內存模型不僅便於表達不同數據訪問模式，也有助於在證明構造中對各段獨立約束，優化查表和並行度。
3.3 執行流程與證明生成
Miden VM 架構示意圖（圖源：Gate Learn 創作者 Max）
加載與初始化
客戶端加載合約字節碼到 Code Segment，準備執行上下文，並從鏈上或側鏈通道獲取必要的 Advice Tape 輸入；同時加載帳戶或 note 的初始狀態承諾。Trace Table 構建
在執行過程中，VM 會按指令順序記錄“Trace Table”——一張多列表格，每列代表內存段或棧頂位置的狀態隨時間的演變軌跡。AIR 轉換
Trace Table 被轉換爲代數中間表示（Algebraic Intermediate Representation, AIR），將對 VM 行爲的所有一致性條件（如棧指針增減、指令語義）編碼爲多項式約束。STARK 證明
Prover 針對 AIR 生成 STARK 證明。由於 STARK 具有透明性（無需可信設置）和高效性，客戶端只需 O(N log N) 的時間即可處理數千條指令級 Trace。Verifier 驗證
驗證者僅需檢查提交的多項式評估與低維抽樣，復雜度約爲證明大小的多項式級別，通常在幾十毫秒內完成，極大提升鏈上吞吐。
整個執行與證明流程在 Miden 客戶端平均耗時約 1–2 秒（約 90K VM 週期），而鏈上驗證則更快，可實現大規模並行交易驗證 。
3.4 並行性與可組合性
Actor 模型
Miden VM 將每個帳戶（或 note）視爲獨立 Actor，其執行與狀態更新完全解耦。這使得多個交易腳本可以在客戶端並行執行、並行生成證明，然後批量提交給網路聚合驗證。 Actor 模型結合零知識證明，讓用戶本地證明狀態轉移，再由網路並行聚合，大幅提高吞吐。可組合腳本
通過 Foreign Procedure Invocation（FPI），一個合約腳本在執行時可以調用另一個合約的“只讀”過程，而無需中斷本地證明流程。FPI 本質上將跨合約只讀調用的狀態讀操作也納入同一 Trace Table，實現了高效組合。
3.5 通俗解釋：Miden VM 像什麼？
可以將 Miden VM 想象成一個“隱私計算微型工廠”，在用戶手機裏本地執行任務，還能隨手帶出一張官方認證的“工作記錄”，發給主網驗證。
舉例說明：
假設你使用一個鏈上 RPG 遊戲，在鏈上買下一塊土地，然後用遊戲金幣建造了一座城堡。
在傳統智能合約中：你的所有操作（位置、資金流、建造行爲）都必須上鏈執行，信息完全公開，既浪費區塊空間，也泄露隱私。
使用 Miden VM：
- 所有邏輯——“我有沒有足夠金幣？是否在正確位置？建築規則是否合規？”——都在你的手機上本地執行；
- 然後 Miden VM 在你手機中生成一個數學證明（STARK proof），告訴網路：“這位用戶確實按照規則做了事”；
- 鏈上不需要知道你怎麼建的，只驗證證明是對的，狀態更新即可。
這種設計的好處是：
- 網路不必執行每筆交易，只需驗證證明，節省資源；
- 用戶的操作可以完全私密，只在需要時選擇性公開；
- 多個玩家可以同時執行自己的邏輯、生成自己的證明，並行性極高，不搶佔鏈上資源。
綜上，Miden VM 的架構關鍵在於簡化可證明指令、多段內存分離、高效 Air→STARK 流水線以及Actor 並行模型，確保了在客戶端設備上既能輕鬆表達復雜邏輯，又能在鏈上以極低成本完成證明驗證，爲下一代高性能、隱私友好的 ZK-Rollup 應用提供了堅實基礎。
四、Miden 的證明系統：STARK 驅動的可驗證執行引擎
Miden 證明系統示意圖（圖源：Gate Learn 創作者 Max）
在 Miden 中，零知識證明不僅僅是“附加模塊”，而是整個協議的核心運行機制。Miden 構建在 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge）系統之上，設計上從一開始就爲“本地執行 + 零知識證明”量身定制。這一部分將深入解析 Miden 的證明流程及其背後的數學機制，解釋爲何 STARK 是其首選。
4.1 爲什麼選擇 STARK 而不是 SNARK？
相較於廣泛用於 zkEVM 等項目的 SNARK，Miden 選擇 STARK 技術，背後有三點關鍵理由：
無需可信設置（Transparent）
STARK 使用哈希函數（如 Rescue、Blake3 等）而非橢圓曲線密碼，不依賴可信初始參數。這消除了“多方計算（MPC）可信設置失敗”所帶來的中心化風險。抗量子攻擊
STARK 基於哈希安全性，在面對未來量子計算威脅時更加穩健。證明生成快速、驗證高效
盡管 STARK 的證明比 SNARK 略大，但驗證速度更快，更適合鏈上大規模並行驗證。
Polygon Labs 的研究團隊表示：
“Miden 選擇 STARK，不是爲了兼容舊範式，而是爲最大化可擴展性和安全性設計全新系統。”
4.2 Trace Table 與執行軌跡
在傳統計算中，我們可以記錄程序執行的每一步，例如每次變量賦值、函數調用。而在 Miden VM 中，這些操作都會轉化爲執行軌跡（execution trace）——也就是一張名爲 Trace Table 的表格，包含程序每一步在時間維度上的狀態快照。
Trace Table 的每一列代表某個寄存器、內存單元或棧頂值的演化過程；
每一行則表示程序運行中的某個時刻（cycle）。
例如：
每條 Miden 指令都能被精確記錄並轉換爲約束條件，以用於下一階段的證明構建。
4.3 AIR（代數中間表示）
Trace Table 構建完成後，下一步是將其轉換爲 AIR（Algebraic Intermediate Representation）。這是一種將程序語義表示爲多項式約束的方式，核心思想包括：
- 每條規則如 “加法運算後棧頂等於兩個數之和”，可表示爲：“stack[0]_next = stack[0]_curr + stack[1]_curr”
- 所有規則在一個有限域（finite field）中驗證，確保 STARK 系統能夠高效生成證明。
- 使用 Low Degree Extension（LDE）技術將離散數據擴展爲連續函數，使得欺騙性修改行爲可被概率檢驗發現。
通過 AIR，Miden 能將“執行是合法的”這一主張編碼爲數學上的可驗證陳述。
4.4 STARK 證明流程
完整的 STARK 證明生成包括以下步驟：
- Prover 構建執行軌跡（Trace）：根據用戶本地執行的智能合約邏輯生成 Trace Table；
- 轉換爲 AIR 系統：將每條指令映射爲代數約束；
- 低度擴展與承諾：通過 Merkle Tree 等機制對擴展後的數據做承諾；
- Fry（FRI）協議：對多項式低度性進行驗證，確保 Trace 合法；
- Proof 輸出：生成一份體積約爲 30–100KB 的證明，用戶提交給網路。
這個流程全部在客戶端完成，平均僅需 1–2 秒，即使在移動設備上也能運行（若性能不足還可委托外部 prover 服務）。
4.5 鏈上驗證與狀態更新
Miden 鏈上的 Verifier 合約（繼承於 Ethereum）會對收到的 STARK 證明進行以下操作：
- 快速驗證 AIR 是否成立（通過採樣驗證方式）；
- 檢查公開輸入（如狀態承諾、區塊高度）是否匹配；
- 更新全局狀態（如帳戶存儲樹、Nullifier）；
- 註冊 note 的新狀態或消費狀態。
得益於 STARK 的透明性和並行性，Verifier 可以同時驗證數千筆交易的證明，極大提高吞吐量，降低鏈上負載。
4.6 通俗解釋：Miden 的 STARK 證明系統就像一份“數學級的收據”
你可以把 Miden 的零知識證明流程想象成一次“無紙化的銀行業務”：
比喻場景：
假設你到銀行辦理轉帳業務，但你不想讓銀行知道你轉了多少錢、給了誰，也不希望他們看到你的帳戶餘額。但你又希望銀行確認你沒有透支、你確實有錢、操作是有效的。
這時候你：
- 在家用你的計算器和表格做了轉帳計算；
- 生成一份數學“收據”（STARK 證明），上面寫着“我按規則做了、沒多花錢、也沒造假”；
- 把收據寄給銀行，而不是寄帳單；
- 銀行只看“收據”，用數學方法驗證你說的是對的，就通過了轉帳；
- 銀行不知道你具體轉了什麼，只知道“這事沒問題”。
在 Miden 中：
- “你”就是用戶的客戶端；
- “計算器”是 Miden VM；
- “數學收據”就是 STARK 證明；
- “銀行”是以太坊上的 Miden Verifier；
- “是否有錢”“是否違規”全部由本地計算並用數學證明說服網路；
- 整個過程不需要透露具體細節，也不用別人重新跑一遍你的程序。
這種“只證明，不公開”的思路就是零知識（Zero-Knowledge）的精髓。
小結
Miden 並未將 ZK 當作附加組件，而是將其深度融合進 VM 的每一次指令執行中。通過 Trace → AIR → STARK 的證明管線，Miden 實現了真正意義上的 本地執行、鏈上驗證、零泄露隱私 的區塊鏈執行模型，也開創了基於 STARK 的應用層虛擬機先河。
五、Miden 開發體驗與工具概覽
Miden 開發體驗與工具匯總表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
Miden 的開發體驗專爲 ZK 應用設計，結合模塊化、類型安全和本地執行優勢，讓開發者既能靈活構建系統，又能安全發布到鏈上。
六、典型應用與使用場景：Miden 能做而其他鏈做不了的事
6.1 “訂單匹配不再上鏈” —— DeFi 的下一步
在傳統鏈上構建訂單簿式 DEX，意味着每一個買賣撮合都需要寫入區塊。這不僅昂貴、延遲大，還容易被搶跑（MEV）收割。
Miden 怎麼做？
- 撮合發生在客戶端（手機/服務器）；
- 用戶打包一批交易，生成一個 ZK 證明；
- 網路驗證“這些交易是合法的”即可，無需逐筆上鏈；
- 所有交易細節對外隱匿，僅結果更新狀態。
結果：交易快、費用低、無 MEV，構建高頻交易、鏈上做市等成爲現實。
6.2 錢包不再只是地址，而是智能“身分終端”
EVM 錢包與 Miden 錢包對比表（來源：Gate Learn 創作者 Max）
在 Miden，每個帳戶都是智能合約，“錢包”變成你能定義規則的身分終端，用戶體驗與銀行 App 無異，但保留鏈上自托管優勢。
6.3 遊戲中的道具屬性，爲什麼一定要被所有人看到？
遊戲場景舉例：
你在一款鏈上 MMORPG 中挖到了一把隱藏屬性的“稀有之劍”，但只要上鏈，別人就知道它有加成、值錢、可以搶你。
Miden 如何解決：
- 遊戲邏輯與屬性本地執行；
- 屬性加成、冷卻時間、技能等作爲私有狀態藏於本地；
- 通過 ZK 證明，告訴主鏈“這把劍擊敗了怪物”，但不暴露劍的屬性；
- 其他玩家只知道你贏了，不知道你用的是什麼。
這實現了真正公平但保密的遊戲體驗，Web3 遊戲終於能做到不劇透且防外掛。
6.4 私密支付 ≠ 不合規
在以太坊上：支付 1 ETH 給某人 = 告訴全世界你給了誰、在什麼時候、給了多少錢。
在 Miden：
- 你可以設定交易只對“可信驗證人”可見；
- 合規機構可驗證交易存在且符合法規，但無法重建全圖；
- 可實現“隱私可證明 + 審計可用 + 用戶控制”的支付系統。
典型應用包括 DAO 財庫管理、跨國企業支付、鏈上工資、Web3 銀行等。
6.5 新範式：鏈下 AI + 鏈上證明
Miden 允許你在本地跑一個 AI 模型（如預測市場價格、醫療建議），然後將結果通過 STARK 證明提交區塊鏈。
示例流程：
- 模型本地運行；
- 用戶生成 ZK 證明：“這是模型按照某組數據得出的結果”；
- 主鏈只驗證“執行合法”，不知過程、不知輸入。
這讓應用能夠在保留模型知識產權和用戶隱私的前提下，構建可信的鏈上交互。例如醫療 AI、風險控制模型、企業決策邏輯等，均可實現“黑箱驗證”。
6.6 小結
Miden 不只是一個加速器或隱私擴展層，它代表了一種全新的範式：從“鏈上帳本”到“鏈上可信計算系統”，Miden 使開發者能夠構建真正安全、可組合、可審計但不透明的 Web3 應用。
七、挑戰與展望
盡管 Miden 展示了零知識技術在擴展性、隱私性和開發範式上的巨大潛力，但作爲一個新興架構，它仍面臨一系列挑戰。
- 開發者生態尚處早期階段。相比於成熟的 EVM 生態，Miden 的工具鏈、語言支持、組件庫仍在完善中。雖然 Rust 編譯支持正在開發，但目前大多數智能合約仍需使用 MASM 編寫，這對非底層開發者形成一定門檻。
- STARK 證明盡管透明高效，但生成體積仍較大，這對移動設備或帶寬受限用戶提出了更高要求。雖然未來可以通過聚合證明、專用 proving service 等方式緩解，但在短期內仍是可用性瓶頸之一。
- 隱私與合規的張力依然存在。雖然 Miden 提供靈活的“可驗證但不透明”的機制，但監管環境的復雜性可能對某些應用模式形成限制。開發者需要在構建隱私保護系統的同時，提供可審計性、可控性與安全性，達成與現實合規框架的平衡。
展望未來，Miden 的發展路線清晰明確。隨着 Rust 工具鏈的成熟、開發模板和組件生態的擴展、以及與 Polygon AggLayer 主網的集成，它有潛力成爲 Web3 應用的默認運行時 —— 尤其是那些追求高復雜度邏輯、強隱私控制與低鏈上足跡的場景。Miden 所開啓的“客戶端證明 + 鏈上驗證”的範式，或許正是鏈上計算真正規模化的關鍵通道。
Miden 發展路線圖（來源：Miden 官方文檔）
八、結語
Miden 並不是對傳統區塊鏈架構的小修小補，而是一種徹底重構。它以零知識證明爲核心，將交易執行和狀態管理推向客戶端，讓網路僅承擔驗證與共識。這樣一來，性能、隱私與安全不再是互相妥協的選項，而可以同時兼得。
通過 Miden，開發者可以構建更復雜、更私密、更靈活的應用，而用戶也將獲得更高的掌控權和安全性。它不僅拓展了區塊鏈的技術邊界，也爲 Web3 應用打開了全新的想象空間。隨着生態的逐步完善，Miden 有潛力成爲下一代 Web3 基礎設施的核心組成部分。未來區塊鏈的發展方向，也許就在“鏈上可信驗證 + 鏈下自由執行”的這一範式之中。
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