Miden STARK 高性能零知识虚拟机架构深度解析与优势探讨

一、引言

随着区块链规模化应用的不断深入，隐私保护和可扩展性已成为整个行业亟待解决的核心难题。零知识证明（ZKP）技术的出现，为同时兼顾这两者提供了切实可行的路径。正如以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 所言，“高度高效的零知识证明（ZK-SNARKs）能够在保护我们的身份隐私的同时，揭示足够的信息以证明我们的可信度” 。他在近期一篇题为《Why I support privacy》的博文中进一步指出：“支持所有人的隐私，并使必要的工具开源、通用、可靠且安全，是我们这个时代面临的重要挑战之一。”

隐私不仅是个人权利，更是去中心化和抗审查的基石。与此同时，ZK-Rollup 作为 Layer 2 解决方案的领头羊，正在快速演进，从早期侧重可扩展性的 zkSync、Optimism，一直到如今的 zkEVM，都在不断向性能与兼容性妥协寻求平衡。Miden 正是在此背景下崛起的全新方案——它不仅借助 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge：一种零知识证明技术，它可以在不透露计算细节的情况下，让别人快速、放心地验证结果，而且安全性强、抗量子攻击、不需要任何“可信第三方”。证明系统的高效性，还进一步将执行与状态推向用户端，重新定义了“可组合隐私 Rollup” 的概念。

二、Miden 简介

图源：https://x.com/0xMiden

Miden 由 Polygon Labs 孵化，并于 2025 年春季独立成为 0xMiden 项目，定位为一条“边缘区块链”（Edge Blockchain）。与传统需将所有交易上链执行的 Rollup 不同，Miden 将大部分计算和证明生成过程迁移至客户端设备，再将小巧的 STARK 证明提交给网络进行验证。Polygon 官方博客指出：“Miden 将继续演进，成为一条零知识驱动的‘边缘’区块链，将执行和状态移动到客户端。与 Sui、Aptos、Solana 等传统链不同，Miden 为部署可扩展、隐私友好应用解锁了全新的设计空间。在将状态与执行下沉到用户设备后，开发者可以构建复杂逻辑与混合公私有状态的强大系统，同时保持用户机密性与合规性。”

图源：Polygon 官方 Blog

Miden 的核心优势体现在以下几个方面：

• 高吞吐与并行执行：受 Actor 模型启发，每个账户（Actor）独立执行并生成证明，消除了全局锁竞争，极大提高了并行性和吞吐量。
• 隐私优先与可选公开：默认私有账本仅存状态承诺，必要时可选择公开特定交易或合约调用，实现灵活的隐私策略。
• 客户端本地证明：利用 STARK 的透明性与高效性，客户端设备即可在 1–2 秒内完成复杂交易的证明生成，北京时间 2025 年 5 月 6 日，主流 MacBook Pro 上常见证明生成成本约 90K 周期。
• 兼容以太坊安全：Miden Rollup 的汇聚层（AggLayer）与以太坊主网紧密结合，继承其强大的安全保障与去中心化特性。

具体来说，Polygon Miden 网站上介绍：“使用 Polygon Miden，开发者可以构建新颖的高吞吐、隐私友好型应用，涵盖支付、DeFi、数字资产与游戏，且应用与用户安全依托以太坊与 AggLayer” 。截至目前，Miden 已完成 VM 开源、开发者工具包 SDK 发布，并进入 Alpha 测试网 v6 阶段，距离主网上线的第四季度 2025 目标日益临近。

总结而言，Miden 通过“客户端执行 + ZK 证明 + 边缘架构”三者结合，不仅为可量化隐私与无限扩展性提供了新范式，也为下一代 Web3 基础设施奠定了技术基础。接下来，我们将深入剖析其 VM 架构与证明系统。

三、Miden VM 架构详解

Miden VM 是一个专为高效零知识证明而设计的图灵完备虚拟机，其核心目标是在客户端设备上本地执行智能合约逻辑，并生成可在链上快速验证的 STARK 证明。以下分四个子部分深入剖析其架构组成与执行流程。

3.1 栈式虚拟机与指令集

• 栈式执行模型
  Miden VM 采用栈机（stack machine）架构，所有指令的输入和输出都通过操作栈进行。这种设计大幅简化了证明时的状态表示，因为只需记录栈的读写操作，无需维护复杂的寄存器状态。

• RISC-like 精简指令集
  虚拟机指令集尽量保持简单——类似精简指令集（RISC）——以减少可证明约束（constraints）数量。例如，算术运算、逻辑运算、栈操作和控制流指令被切分为最基本的微原语（micro-ops），每条指令在证明时映射到有限域算术关系。Miden VM 能高效地将每条指令的执行转化为代数约束，通过 STARK 生成和验证，证明大小与程序复杂度松耦合。

3.2 程序内存组织

Miden VM 在执行过程中，程序状态分布在以下几个逻辑段中：

Miden VM 内存段职责表（来源：Gate Learn 创作者 Max）

这种多段分离的内存模型不仅便于表达不同数据访问模式，也有助于在证明构造中对各段独立约束，优化查表和并行度。

3.3 执行流程与证明生成

Miden VM 架构示意图（图源：Gate Learn 创作者 Max）

1. 加载与初始化
   客户端加载合约字节码到 Code Segment，准备执行上下文，并从链上或侧链通道获取必要的 Advice Tape 输入；同时加载账户或 note 的初始状态承诺。

2. Trace Table 构建
   在执行过程中，VM 会按指令顺序记录“Trace Table”——一张多列表格，每列代表内存段或栈顶位置的状态随时间的演变轨迹。

3. AIR 转换
   Trace Table 被转换为代数中间表示（Algebraic Intermediate Representation, AIR），将对 VM 行为的所有一致性条件（如栈指针增减、指令语义）编码为多项式约束。

4. STARK 证明
   Prover 针对 AIR 生成 STARK 证明。由于 STARK 具有透明性（无需可信设置）和高效性，客户端只需 O(N log N) 的时间即可处理数千条指令级 Trace。

5. Verifier 验证
   验证者仅需检查提交的多项式评估与低维抽样，复杂度约为证明大小的多项式级别，通常在几十毫秒内完成，极大提升链上吞吐。

整个执行与证明流程在 Miden 客户端平均耗时约 1–2 秒（约 90K VM 周期），而链上验证则更快，可实现大规模并行交易验证 。

3.4 并行性与可组合性

• Actor 模型
  Miden VM 将每个账户（或 note）视为独立 Actor，其执行与状态更新完全解耦。这使得多个交易脚本可以在客户端并行执行、并行生成证明，然后批量提交给网络聚合验证。 Actor 模型结合零知识证明，让用户本地证明状态转移，再由网络并行聚合，大幅提高吞吐。

• 可组合脚本
  通过 Foreign Procedure Invocation（FPI），一个合约脚本在执行时可以调用另一个合约的“只读”过程，而无需中断本地证明流程。FPI 本质上将跨合约只读调用的状态读操作也纳入同一 Trace Table，实现了高效组合。

3.5 通俗解释：Miden VM 像什么？

可以将 Miden VM 想象成一个“隐私计算微型工厂”，在用户手机里本地执行任务，还能随手带出一张官方认证的“工作记录”，发给主网验证。

举例说明：

假设你使用一个链上 RPG 游戏，在链上买下一块土地，然后用游戏金币建造了一座城堡。

• 在传统智能合约中：你的所有操作（位置、资金流、建造行为）都必须上链执行，信息完全公开，既浪费区块空间，也泄露隐私。

• 使用 Miden VM：

  • 所有逻辑——“我有没有足够金币？是否在正确位置？建筑规则是否合规？”——都在你的手机上本地执行；
  • 然后 Miden VM 在你手机中生成一个数学证明（STARK proof），告诉网络：“这位用户确实按照规则做了事”；
  • 链上不需要知道你怎么建的，只验证证明是对的，状态更新即可。

这种设计的好处是：

1. 网络不必执行每笔交易，只需验证证明，节省资源；
2. 用户的操作可以完全私密，只在需要时选择性公开；
3. 多个玩家可以同时执行自己的逻辑、生成自己的证明，并行性极高，不抢占链上资源。

综上，Miden VM 的架构关键在于简化可证明指令、多段内存分离、高效 Air→STARK 流水线以及Actor 并行模型，确保了在客户端设备上既能轻松表达复杂逻辑，又能在链上以极低成本完成证明验证，为下一代高性能、隐私友好的 ZK-Rollup 应用提供了坚实基础。

四、Miden 的证明系统：STARK 驱动的可验证执行引擎

Miden 证明系统示意图（图源：Gate Learn 创作者 Max）

在 Miden 中，零知识证明不仅仅是“附加模块”，而是整个协议的核心运行机制。Miden 构建在 STARK（Scalable Transparent ARguments of Knowledge）系统之上，设计上从一开始就为“本地执行 + 零知识证明”量身定制。这一部分将深入解析 Miden 的证明流程及其背后的数学机制，解释为何 STARK 是其首选。

4.1 为什么选择 STARK 而不是 SNARK？

相较于广泛用于 zkEVM 等项目的 SNARK，Miden 选择 STARK 技术，背后有三点关键理由：

1. 无需可信设置（Transparent）
   STARK 使用哈希函数（如 Rescue、Blake3 等）而非椭圆曲线密码，不依赖可信初始参数。这消除了“多方计算（MPC）可信设置失败”所带来的中心化风险。

2. 抗量子攻击
   STARK 基于哈希安全性，在面对未来量子计算威胁时更加稳健。

3. 证明生成快速、验证高效
   尽管 STARK 的证明比 SNARK 略大，但验证速度更快，更适合链上大规模并行验证。

Polygon Labs 的研究团队表示：

“Miden 选择 STARK，不是为了兼容旧范式，而是为最大化可扩展性和安全性设计全新系统。”

4.2 Trace Table 与执行轨迹

在传统计算中，我们可以记录程序执行的每一步，例如每次变量赋值、函数调用。而在 Miden VM 中，这些操作都会转化为执行轨迹（execution trace）——也就是一张名为 Trace Table 的表格，包含程序每一步在时间维度上的状态快照。

Trace Table 的每一列代表某个寄存器、内存单元或栈顶值的演化过程；
每一行则表示程序运行中的某个时刻（cycle）。

例如：

每条 Miden 指令都能被精确记录并转换为约束条件，以用于下一阶段的证明构建。

4.3 AIR（代数中间表示）

Trace Table 构建完成后，下一步是将其转换为 AIR（Algebraic Intermediate Representation）。这是一种将程序语义表示为多项式约束的方式，核心思想包括：

• 每条规则如 “加法运算后栈顶等于两个数之和”，可表示为：“stack[0]_next = stack[0]_curr + stack[1]_curr”
• 所有规则在一个有限域（finite field）中验证，确保 STARK 系统能够高效生成证明。
• 使用 Low Degree Extension（LDE）技术将离散数据扩展为连续函数，使得欺骗性修改行为可被概率检验发现。

通过 AIR，Miden 能将“执行是合法的”这一主张编码为数学上的可验证陈述。

4.4 STARK 证明流程

完整的 STARK 证明生成包括以下步骤：

1. Prover 构建执行轨迹（Trace）：根据用户本地执行的智能合约逻辑生成 Trace Table；
2. 转换为 AIR 系统：将每条指令映射为代数约束；
3. 低度扩展与承诺：通过 Merkle Tree 等机制对扩展后的数据做承诺；
4. Fry（FRI）协议：对多项式低度性进行验证，确保 Trace 合法；
5. Proof 输出：生成一份体积约为 30–100KB 的证明，用户提交给网络。

这个流程全部在客户端完成，平均仅需 1–2 秒，即使在移动设备上也能运行（若性能不足还可委托外部 prover 服务）。

4.5 链上验证与状态更新

Miden 链上的 Verifier 合约（继承于 Ethereum）会对收到的 STARK 证明进行以下操作：

• 快速验证 AIR 是否成立（通过采样验证方式）；
• 检查公开输入（如状态承诺、区块高度）是否匹配；
• 更新全局状态（如账户存储树、Nullifier）；
• 注册 note 的新状态或消费状态。

得益于 STARK 的透明性和并行性，Verifier 可以同时验证数千笔交易的证明，极大提高吞吐量，降低链上负载。

4.6 通俗解释：Miden 的 STARK 证明系统就像一份“数学级的收据”

你可以把 Miden 的零知识证明流程想象成一次“无纸化的银行业务”：

比喻场景：

假设你到银行办理转账业务，但你不想让银行知道你转了多少钱、给了谁，也不希望他们看到你的账户余额。但你又希望银行确认你没有透支、你确实有钱、操作是有效的。

这时候你：

1. 在家用你的计算器和表格做了转账计算；
2. 生成一份数学“收据”（STARK 证明），上面写着“我按规则做了、没多花钱、也没造假”；
3. 把收据寄给银行，而不是寄账单；
4. 银行只看“收据”，用数学方法验证你说的是对的，就通过了转账；
5. 银行不知道你具体转了什么，只知道“这事没问题”。

在 Miden 中：

• “你”就是用户的客户端；
• “计算器”是 Miden VM；
• “数学收据”就是 STARK 证明；
• “银行”是以太坊上的 Miden Verifier；
• “是否有钱”“是否违规”全部由本地计算并用数学证明说服网络；
• 整个过程不需要透露具体细节，也不用别人重新跑一遍你的程序。

这种“只证明，不公开”的思路就是零知识（Zero-Knowledge）的精髓。

小结

Miden 并未将 ZK 当作附加组件，而是将其深度融合进 VM 的每一次指令执行中。通过 Trace → AIR → STARK 的证明管线，Miden 实现了真正意义上的 本地执行、链上验证、零泄露隐私 的区块链执行模型，也开创了基于 STARK 的应用层虚拟机先河。

五、Miden 开发体验与工具概览

Miden 开发体验与工具汇总表（来源：Gate Learn 创作者 Max）

Miden 的开发体验专为 ZK 应用设计，结合模块化、类型安全和本地执行优势，让开发者既能灵活构建系统，又能安全发布到链上。

六、典型应用与使用场景：Miden 能做而其他链做不了的事

6.1 “订单匹配不再上链” —— DeFi 的下一步

在传统链上构建订单簿式 DEX，意味着每一个买卖撮合都需要写入区块。这不仅昂贵、延迟大，还容易被抢跑（MEV）收割。

Miden 怎么做？

• 撮合发生在客户端（手机/服务器）；
• 用户打包一批交易，生成一个 ZK 证明；
• 网络验证“这些交易是合法的”即可，无需逐笔上链；
• 所有交易细节对外隐匿，仅结果更新状态。

结果：交易快、费用低、无 MEV，构建高频交易、链上做市等成为现实。

6.2 钱包不再只是地址，而是智能“身份终端”

EVM 钱包与 Miden 钱包对比表（来源：Gate Learn 创作者 Max）

在 Miden，每个账户都是智能合约，“钱包”变成你能定义规则的身份终端，用户体验与银行 App 无异，但保留链上自托管优势。

6.3 游戏中的道具属性，为什么一定要被所有人看到？

游戏场景举例：
你在一款链上 MMORPG 中挖到了一把隐藏属性的“稀有之剑”，但只要上链，别人就知道它有加成、值钱、可以抢你。

Miden 如何解决：

• 游戏逻辑与属性本地执行；
• 属性加成、冷却时间、技能等作为私有状态藏于本地；
• 通过 ZK 证明，告诉主链“这把剑击败了怪物”，但不暴露剑的属性；
• 其他玩家只知道你赢了，不知道你用的是什么。

这实现了真正公平但保密的游戏体验，Web3 游戏终于能做到不剧透且防外挂。

6.4 私密支付 ≠ 不合规

在以太坊上：支付 1 ETH 给某人 = 告诉全世界你给了谁、在什么时候、给了多少钱。

在 Miden：

• 你可以设定交易只对“可信验证人”可见；
• 合规机构可验证交易存在且符合法规，但无法重建全图；
• 可实现“隐私可证明 + 审计可用 + 用户控制”的支付系统。

典型应用包括 DAO 财库管理、跨国企业支付、链上工资、Web3 银行等。

6.5 新范式：链下 AI + 链上证明

Miden 允许你在本地跑一个 AI 模型（如预测市场价格、医疗建议），然后将结果通过 STARK 证明提交区块链。

示例流程：

• 模型本地运行；
• 用户生成 ZK 证明：“这是模型按照某组数据得出的结果”；
• 主链只验证“执行合法”，不知过程、不知输入。

这让应用能够在保留模型知识产权和用户隐私的前提下，构建可信的链上交互。例如医疗 AI、风险控制模型、企业决策逻辑等，均可实现“黑箱验证”。

6.6 小结

Miden 不只是一个加速器或隐私扩展层，它代表了一种全新的范式：从“链上账本”到“链上可信计算系统”，Miden 使开发者能够构建真正安全、可组合、可审计但不透明的 Web3 应用。

七、挑战与展望

尽管 Miden 展示了零知识技术在扩展性、隐私性和开发范式上的巨大潜力，但作为一个新兴架构，它仍面临一系列挑战。

1. 开发者生态尚处早期阶段。相比于成熟的 EVM 生态，Miden 的工具链、语言支持、组件库仍在完善中。虽然 Rust 编译支持正在开发，但目前大多数智能合约仍需使用 MASM 编写，这对非底层开发者形成一定门槛。
2. STARK 证明尽管透明高效，但生成体积仍较大，这对移动设备或带宽受限用户提出了更高要求。虽然未来可以通过聚合证明、专用 proving service 等方式缓解，但在短期内仍是可用性瓶颈之一。
3. 隐私与合规的张力依然存在。虽然 Miden 提供灵活的“可验证但不透明”的机制，但监管环境的复杂性可能对某些应用模式形成限制。开发者需要在构建隐私保护系统的同时，提供可审计性、可控性与安全性，达成与现实合规框架的平衡。

展望未来，Miden 的发展路线清晰明确。随着 Rust 工具链的成熟、开发模板和组件生态的扩展、以及与 Polygon AggLayer 主网的集成，它有潜力成为 Web3 应用的默认运行时 —— 尤其是那些追求高复杂度逻辑、强隐私控制与低链上足迹的场景。Miden 所开启的“客户端证明 + 链上验证”的范式，或许正是链上计算真正规模化的关键通道。

Miden 发展路线图（来源：Miden 官方文档）

八、结语

Miden 并不是对传统区块链架构的小修小补，而是一种彻底重构。它以零知识证明为核心，将交易执行和状态管理推向客户端，让网络仅承担验证与共识。这样一来，性能、隐私与安全不再是互相妥协的选项，而可以同时兼得。

通过 Miden，开发者可以构建更复杂、更私密、更灵活的应用，而用户也将获得更高的掌控权和安全性。它不仅拓展了区块链的技术边界，也为 Web3 应用打开了全新的想象空间。随着生态的逐步完善，Miden 有潜力成为下一代 Web3 基础设施的核心组成部分。未来区块链的发展方向，也许就在“链上可信验证 + 链下自由执行”的这一范式之中。

作者：   Max 审校：   Allen * 投资有风险，入市须谨慎。本文不作为 Gate 提供的投资理财建议或其他任何类型的建议。 * 在未提及 Gate 的情况下，复制、传播或抄袭本文将违反《版权法》，Gate 有权追究其法律责任。