Переменные, память и безопасность Rust в zero-knowledge системах

Rust предлагает уникальный подход к управлению памятью и безопасностью, что особенно ценно при создании приложений с доказательством с нулевым разглашением (zero-knowledge). В этой статье мы разберем переменные и константы в Rust, области памяти (стек, куча, статическая/константная память), а также принципы ownership (владения) и borrowing (заимствования). Мы покажем, как эти механизмы работают на практике и почему они критично важны для безопасных и масштабируемых ZK-систем на базе zkVM. Также приведем пример мини-программы гостя (на zkVM) для P2P-мессенджера, которая доказывает владение секретным ключом без его раскрытия. Пример будет сопровождаться схемой памяти и пошаговым разбором кода, включая пояснения о том, где хранятся переменные и как Rust обеспечивает безопасность. Наконец, мы обсудим рекомендации по стилю Rust-кода для zkVM и архитектуре минимальных zk-гостевых программ в P2P-системах, подчеркнув, почему такой подход необходим для безопасности и масштабируемости zero-knowledge.

Переменные и константы в Rust

В Rust переменные по умолчанию являются неизменяемыми (immutable), то есть после инициализации их значение нельзя изменить без явного указания mut. Константы объявляются с помощью ключевого слова const и всегда неизменяемы. Константа должна быть инициализирована компилируемым (константным) выражением, известным на этапе компиляции. В отличие от переменных, константы можно определять в любой области видимости, включая глобальную, тогда как обычные переменные (с let) нельзя объявлять вне функций. Например:

const PI: f32 = 3.14; let x: i32 = 5; let mut y: i32 = 10;

Здесь PI – константа (глобальная, доступна во всей программе), x – неизменяемая переменная, y – изменяемая переменная. Константы встраиваются в код во время компиляции и не занимают отдельного места в памяти во время выполнения (их значения хранятся в сегменте код/данных или прямо в инструкции). Статические переменные (ключевое слово static) похожи на константы тем, что имеют глобальную область видимости и статический время жизни, но размещаются в отдельной области памяти. Статические переменные сохраняются в памяти на протяжении всего выполнения программы. Например:

static GREETING: &str = "Hello, Rust!";

Переменная GREETING будет находиться в статической области памяти и доступна до завершения программы. Важное отличие: константы неизменяемы и рассчитываются на этапе компиляции, а статические переменные могут быть изменяемыми при условии обеспечения потокобезопасности (требуется unsafe и синхронизация для изменяемых static). В большинстве случаев в приложениях на Rust для безопасных ZK-систем используют константы для неизменяемых глобальных параметров и избегают изменяемых static, чтобы не нарушать детерминизм и потокобезопасность.

Области памяти: стек, куча, статическая память

Программа на Rust во время выполнения использует несколько областей памяти: сегмент кода, сегмент данных (статическая память), стек и куча. Код программы (включая исполняемые инструкции и константы) хранится в сегменте кода. Глобальные переменные и статические данные размещаются в статическом сегменте (обычно разделяется на сегменты для неизменяемых констант и для изменяемых статических переменных). Динамически выделяемые объекты хранятся в куче. Локальные переменные и значения фиксированного размера располагаются на стеке по умолчанию. Рассмотрим подробнее эти области:

  • Стек (stack) – область памяти для хранения контекстов функций (фреймов) и локальных переменных фиксированного размера. Стек работает по принципу LIFO (last-in, first-out): последней помещенной туда функции или переменной соответствует первое освобождение памяти при выходе из нее. Аллокация и освобождение памяти в стеке происходят автоматически и очень быстро, поскольку достаточно сдвинуть указатель стека вверх или вниз. Объем стека ограничен (может быть порядка нескольких мегабайт по умолчанию), поэтому слишком большие объекты на стеке могут привести к переполнению стека. На стек выделяются все значения, размер которых известен на этапе компиляции – примитивные типы, структуры фиксированного размера, массивы фиксированной длины и указатели/ссылки. Например, в коде fn main() { let x: i32 = 42; let arr = [1,2,3]; } переменная x (целое 42) и массив arr из трех i32 будут расположены в стеке и автоматически очищены при выходе из main.

  • Куча (heap) – область памяти для динамически выделяемых данных, размер или количество которых не известно заранее либо может изменяться во время выполнения. Выделение памяти в куче осуществляется явным образом через распределитель памяти (аллокатор) – в Rust это обычно происходит при создании типов вроде Box, Vec, String и т.п. Например, let s = String::from("Hello") выделит память в куче для хранения содержимого строки. Доступ к данным в куче осуществляется по указателям: на стеке хранится смарт-указатель или handle, указывающий на участок кучи, где лежат сами данные. Управление выделением и освобождением памяти в куче берет на себя система владения Rust: когда последний владелец данных выходит из области видимости, память автоматически освобождается. Куча не имеет жесткого ограничения размера (кроме ограничений ОС), но работа с кучей медленнее стека – требуется время на поиск подходящего блока памяти и возможна фрагментация памяти. Поэтому лишние выделения в куче могут снижать производительность.

  • Статическая область – хранит глобальные переменные и константы. Данные, помещенные сюда, живут весь срок работы программы. Неизменяемые (const и static без mut) хранятся в сегменте постоянных данных (обычно в памяти только для чтения), а изменяемые static mut – в отдельном сегменте, доступном для чтения и записи. Обращение к статическим переменным в Rust требует соблюдения безопасных правил (например, изменяемые статические переменные требуют unsafe блока и синхронизации между потоками). В контексте ZK-программ статические переменные используются редко или только для констант, так как мы стремимся к детерминированности и предсказуемости. Однако неизменяемые глобальные константы – вполне безопасный способ задать, например, параметры протокола или публичные ключи, они будут прошиты в коде программы и известны проверяющей стороне.

Схема памяти программы обычно выглядит так: сначала сегмент кода (machine code), затем сегмент статических данных, ниже – куча (которая растет вверх по адресам) и стек (растет вниз от верхних адресов). Во время работы программы стек расширяется/сжимается при вызове и завершении функций, а куча – при динамических аллокациях и освобождениях. Эти области изолированы друг от друга, и Rust следит за тем, чтобы обращения к памяти были безопасны (ни одна область не перезаписывает другую вне дозволенных границ).

Рис. 1: Упрощенная иллюстрация распределения памяти во время выполнения Rust-программы. На диаграмме показан стек (синий) и куча (фиолетовый) для запущенной функции main. Каждый вызов функции создает новый фрейм на вершине стека, хранящий локальные переменные и адрес возврата. Все статические и фиксированные данные (например, примитивы и структуры известного размера) хранятся в рамках стека. Динамические данные размещаются в куче, а на стеке хранится лишь указатель на них (например, Box<"John"> в структуре на рисунке указывает на строку “John” в куче). Когда функция завершается, ее стековый фрейм уничтожается, освобождая все находящиеся в нем данные. Память в куче освобождается, когда на данные больше не остается ссылок (в соответствии с правилами владения Rust).

Правила владения (Ownership) и заимствования (Borrowing)

Модель управления памятью в Rust основана на системе владения и заимствования. Каждый ресурс (кусок памяти) имеет владельца – переменную, которая отвечает за данный участок памяти. Когда владелец выходит из области видимости, ресурс автоматически освобождается (вызывается drop для него). Это позволяет Rust избегать утечек памяти и двойного освобождения без сборщика мусора – освобождение происходит строго один раз, когда ресурс теряет владельца.

Основные правила владения:

  1. У каждого значения есть единственный владелец.

  2. При присваивании или передаче в функцию владение может перемещаться (move) к другому переменному/функции.

  3. В один момент времени у значения может быть либо единственная изменяемая ссылка, либо любое число неизменяемых ссылок (mut vs immutable borrows). Нельзя иметь одновременно изменяемую и неизменяемые ссылки на один ресурс.

  4. Ссылка (borrow) никогда не должна “переживать” (outlive) свой оригинальный ресурс – т.е. нельзя, чтобы ссылка указывала на память, которая уже освобождена.

Borrowing (заимствование) – механизм, позволяющий временно использовать значение без передачи владения, через ссылки &T (неизменяемая) или &mut T (изменяемая). Неизменяемую ссылку можно создавать в любом количестве, но если существует хотя бы одна изменяемая ссылка на данные, другие ссылки (в том числе неизменяемые) запрещены до конца времени жизни этой изменяемой ссылки. Это гарантирует отсутствие гонок данных – ситуаций, когда два потока или две части кода одновременно меняют одни и те же данные. Кроме того, компилятор проверяет времена жизни (lifetimes) ссылок: ссылка не может использоваться, если оригинальное значение уже вышло из области видимости и освобождено. Эти проверки выполняются на этапе компиляции (механизм borrow checker), предотвращая появление висячих указателей и обеспечивая безопасность памяти.

Пример заимствования:

fn increment(x: &mut i32) { *x += 1; }

fn main() {
    let mut a = 5;
    let b = &a;            // неизменяемая ссылка на a
    println!("a = {}", b); // используем b
    // let c = &mut a;    // Ошибка: существует ссылка b
    let c = &mut a;        // корректно, если переместить так, чтобы b не использовалась после
    increment(c);          // передаем изменяемую ссылку
    println!("a = {}", a);
}

В этом коде переменная a – владелец целого 5. Переменная b заимствует a как неизменяемая ссылка, после чего мы можем читать a через b. Попытка создать изменяемую ссылку c одновременно с существованием b приведет к ошибке компиляции, т.к. нарушает правило (нельзя одновременно изменять и читать одни данные). После окончания использования b мы создаем c – единственную изменяемую ссылку на a – и передаем ее функции increment. Внутри increment ссылка x указывает на ту же память, что и a, позволяя изменить значение. После выхода из increment ссылка c больше не нужна, и мы снова можем использовать a. Этот строгий дисциплинированный подход устраняет целый класс ошибок (висячие указатели, двойное освобождение, гонки) на этапе компиляции.

Важно отметить, что в Rust есть понятие Copy-типа – типы, значения которых при присвоении копируются побитово, не теряя старого владельца. К таким типам относятся все примитивы (числа, булевы, char), типы-значения фиксированного размера без явного владения ресурсами (например, кортежи из Copy-значений, массивы [T; N] небольшого размера, где T: Copy). Для Copy-типов операция присваивания или передачи в функцию не перемещает владение, а копирует значение, так что исходная переменная продолжает быть действительной. Например, let x = 5; let y = x; – после этого и x, и y содержат 5, и оба можно использовать. Но для не-Copy типов (например, String, Vec, которые владеют кучей) аналогичное присваивание приведет к move – x станет недействительным, а y примет владение над данными. Это сделано, чтобы избежать двойного освобождения: если бы String копировался по умолчанию, то у нас было бы две переменные, пытающиеся освободить один и тот же участок кучи. Поэтому Rust по умолчанию запрещает неявные глубокие копии сложных объектов, вместо этого либо перемещает их, либо требует явного клонирования через .clone().

Безопасное управление памятью в контексте zkVM

Теперь, когда мы разобрали основы работы памяти в Rust, рассмотрим, как эти механизмы помогают при создании безопасных zero-knowledge систем на базе zkVM. Под zkVM обычно понимается виртуальная машина, способная криптографически доказывать корректность выполнения загруженного в нее кода без раскрытия приватных данных. Примером является RISC Zero zkVM – реализация RISC-V процессора на арифметических схемах, позволяющая писать доказуемые программы на обычном языке (Rust). Код, выполняемый внутри zkVM, называется guest code (гостевой код), и генерация доказательства подтверждает, что этот код был выполнен правильно на скрытых входных данных, а его публичные выходные данные соответствуют этой корректной работе.

Детерминизм и воспроизводимость. В среде zkVM крайне важно, чтобы выполнение программы было детерминированным – любые недетерминированные или небезопасные операции могут нарушить достоверность доказательства или привести к утечке информации. Rust, благодаря отсутствию неопределенного поведения (undefined behavior) и проверкам заимствования, гарантирует, что код нечитает/непишет в случайные области памяти. Это предотвращает утечки секретных данных за пределы дозволенного. Например, ошибки вроде выхода за границы массива вызвали бы паническую остановку вместо тихого чтения соседней памяти. В контексте ZK-систем это означает, что гостевой код не сможет случайно раскрыть секрет через чтение/запись не своей памяти, а также не повлияет на ход доказательства непредсказуемым образом.

Изоляция памяти. ZkVM изолирует память программы гостя от хоста: гость может читать переданные ему входные данные и записывать результаты только через специальные вызовы среды (например, env::read, env::commit в RISC Zero). Он не имеет прямого доступа к памяти хоста или внешней системе. Rust в данном случае помогает тем, что вынуждает явно определять, какие данные поступают на вход, а какие выдаются наружу. Нельзя получить “левые” указатели или произвольный доступ: нет unsafe (в безопасном коде) – значит, нет способа прочитать память вне разрешенного буфера. Это устраняет целый класс уязвимостей (пункт “чтение или запись памяти хоста вне определенного интерфейса ввода-вывода” явно считается серьезной уязвимостью, и строгая модель Rust этому препятствует).

Автоматическое управление ресурсами. Когда программа гостя завершает работу, Rust автоматически очищает все временные данные (стековые переменные, временно выделенную кучу) посредством системы владения. Это гарантирует отсутствие утечек памяти внутри доказательства. Хотя “утечка” оперативной памяти внутри единственного запуска zkVM не влияет на корректность доказательства, она могла бы влиять на производительность. Однако более важно, что корректное освобождение гарантирует, что секретные данные не останутся лежать в памяти после использования. Если zkVM выполняет несколько последовательных программ или продолжает работать, очищенные данные не смогут случайно всплыть где-то еще.

Отсутствие race conditions. Rust не позволяет data races (гонки данных) на уровне типов. В zkVM-программе обычно и так однопоточное выполнение (например, RISC Zero выполняет гость в одном потоке, без параллелизма. Но даже в однопоточном окружении концептуальные гонки (например, небезопасное повторное использование памяти) исключены – две части программы не смогут одновременно модифицировать один участок памяти без явного на то намерения, оформленного через unsafe. Это упрощает анализ безопасности: разработчик и аудитор могут быть уверены, что состояние программы меняется только в разрешенных местах.

Проверка на этапе компиляции. Многие ошибки ловятся до запуска: если вы пытаетесь обратиться к неинициализированной памяти или вернуть ссылку на локальную переменную наружу, программа просто не скомпилируется. Это особенно ценно в zero-knowledge, где цикл разработки-верификации дорогой: гораздо лучше отловить проблему сразу, чем после того, как было сгенерировано и проверено сложное доказательство. Использование Rust ускоряет разработку надежного zk-пруфа, снижая вероятность логических ошибок с памятью.

Иммутабельность по умолчанию. В zk-приложениях полезно ограничивать изменяемое состояние, поскольку любое изменение состояния может влиять на трассу доказательства. В Rust переменные неизменяемы, если явно не указано mut. Это поощряет разработчиков держать данные постоянными, если это возможно, и тем самым упрощает рассуждение о доказательстве. Константы и неизменяемые переменные гарантированно не меняются в ходе выполнения, значит, их влияние на вывод легко проследить. Например, если у вас есть константа DIFFICULTY: u32 = 5, используемая в расчете, вы точно знаете, что во время всего доказательства она равна 5 и нигде не модифицируется.

Отсутствие сборщика мусора (GC). Rust не имеет сборщика мусора, управление памятью происходит в момент выполнения кода, а не позже. Это важно, потому что в zkVM каждый такт процессора и каждая операция учитывается. Сборщик мусора мог бы внести недетерминированность (например, неясно, когда именно произойдет сбор) или дополнительную нагрузку. Rust же распределяет и освобождает память прямо в тех местах, где это написано в коде, детерминированно. Более того, лишние паузы на сбор мусора увеличили бы время выполнения, а значит, и время доказательства. Rust избегает этого, освобождая память своевременно при выходе из областей видимости.

Количество циклов vs сложность доказательства. В zkVM стоимость генерации доказательства напрямую зависит от количества выполненных инструкций (тактов) процессора. Чем больше инструкций выполняет ваша программа, тем дольше и сложнее создавать доказательство. Поэтому эффективный код – не просто вопрос оптимизации, а и вопрос масштабируемости zero-knowledge. Здесь на помощь приходят как сам язык Rust, так и осознанный стиль кодирования:

  • Использование стека вместо кучи, когда возможно, экономит на операциях выделения/освобождения памяти. Стековые операции дешевле и занимают меньше тактов, чем работа с кучей. В ZK-контексте это значит более быстрые доказательства. Например, вместо динамического массива Vec<u8> фиксированной длины лучше использовать массив типа [u8; N] – он будет выделен на стеке и не потребует вызовов аллокатора.

  • Отсутствие излишнего копирования данных. Если нужно передать большие данные в функцию для чтения, лучше передать ссылку &T вместо копирования всего объекта. Это уменьшит количество операций. Рекомендации RISC Zero по оптимизации прямо отмечают: «Ищите места, где вы копируете или сериализуете данные без необходимости». Borrowing позволяет работать с данными по ссылке, не создавая их дубликат, что уменьшает объем работы. Например, вместо создания новой копии большого массива, можно передать ссылку на оригинал.

  • Использование константных выражений и вычислений при компиляции (через const fn или просто константы) снижает нагрузку во время выполнения. Всё, что можно вычислить заранее, не должно тратить такты zk-процессора.

  • Минимизация ветвлений и сложной логики. Хотя Rust и обеспечивает безопасность, сложность алгоритма всё равно влияет на производительность доказательства. Проще код – меньше инструкций – быстрее генерируется и проверяется пруф. Иногда имеет смысл разделить задачу на несколько более простых доказуемых шагов, чем делать один монолит с множеством веток.

  • Использование ускоренных примитивов. Rust-код может вызывать специализированные функции zkVM, реализованные как аппаратные ускорители в схемах. Например, RISC Zero предоставляет ускоритель для SHA-256, позволяющий выполнить хэширование намного быстрее, чем битовое вычисление в чистом Rust. То есть, когда вы вызываете функцию хэширования, на уровне zkVM задействуется оптимизированная цепочка, которая уменьшает число тактов. Это пример того, как сознательный выбор в коде (вызвать специальный API vs реализовать свой) влияет на масштабируемость.

Избегание небезопасных конструкций. В контексте zkVM особенно нежелателен unsafe-код. Любые небезопасные действия могут нарушить правильность выполнения или открыть лазейки для утечки данных. Хорошей практикой является вовсе не использовать unsafe в гостевом коде. В нашем примере далее мы покажем решение, использующее только безопасные конструкции (никаких unsafe). Это исключает возможности, что разработчик обойдет механизм проверки заимствования – а значит, сохраняется гарантия памяти. Кроме того, безопасный код проще портировать между версиями zkVM и анализировать.

Подводя итог, Rust обеспечивает прочный фундамент для написания zkVM-программ: безопасность памяти, детерминизм, эффективное управление ресурсами. Далее мы продемонстрируем это на практическом примере – мини-программе гостя для P2P-мессенджера.

Пример: доказательство владения ключом в P2P-мессенджере (гостевой код zkVM)

Рассмотрим сценарий: у нас есть peer-to-peer мессенджер, где каждый узел обладает своим приватным криптографическим ключом. При установлении соединения узлы хотят убедиться, что собеседник действительно владеет определенным публичным ключом, не раскрывая сам приватный ключ. Типичное решение – криптографическая подпись вызова (что уже само по себе zero-knowledge в некотором смысле, т.к. доказывает владение без раскрытия). Однако для демонстрации мы используем общий подход с zkVM: один узел запускает внутри доказуемой VM небольшую программу, которая берет на вход его секретный ключ и выдает подтверждение, не раскрывая секрет. В качестве подтверждения можно выдавать, к примеру, криптографический хеш от ключа. Другой узел, зная заранее публичный хеш или соответствующий публичный ключ, проверяет, что доказательство корректно и хеш совпадает с ожидаемым. Такой подход полезен, если нужно доказать факт владения без прямой подписи – например, когда схема подписи недоступна внутри VM или нужны дополнительные проверки.

Ниже приведен код на Rust – гостевая программа для zkVM (на примере RISC Zero), решающая задачу доказательства знания секрета. Она читает секретный ключ (массив байт фиксированной длины) из приватного ввода, вычисляет его SHA-256 хеш и коммитит (публикует) этот хеш как выходное значение. Код написан в стиле, безопасном для zk-программ: без аллокаций в куче, без unsafe, используя только константные размерности и заимствования.

#![no_std]              // не используем стандартную библиотеку
#![no_main]             // точка входа своя (через zkVM)
risc0_zkvm_guest::entry!(main);

use risc0_zkvm::guest::env;
use sha2::{Digest, Sha256};  // крипто-библиотека для SHA-256 (no_std)

fn main() {
    // Читаем секретный ключ (32 байта) из приватного ввода
    let secret: [u8; 32] = env::read();
    // Вычисляем SHA-256 хеш от ключа
    let hash = Sha256::digest(&secret);
    let hash_bytes: [u8; 32] = hash.into();
    // Коммитим хеш в публичный журнал (выходное доказательство)
    env::commit(&hash_bytes);
}

Разберем этот код построчно и объясним, как он работает в памяти, какие данные попадают в доказательство, и как Rust обеспечивает безопасность:

  • #![no_std] и #![no_main] – специальные директивы для компилятора. Они означают, что мы не подтягиваем стандартную библиотеку (которая не доступна в среде гостя для облегчения и детерминизма) и не используем стандартную точку входа main рантайма. В среде zkVM нет операционной системы, и наша функция main() будет вызываться хостом напрямую через макрос risc0_zkvm_guest::entry!. Исключение std подразумевает отсутствие стандартных аллокаторов кучи, потоков, и т.д. – наш код работает в ограниченном окружении, близком к embedded. Это уже заставляет писать код без динамических структур, что нам и нужно для безопасности и производительности.

  • use risc0_zkvm::guest::env; – мы подтягиваем модуль окружения гостя. Через него доступны функции для обмена данными с хостом: чтение входа, запись в вывод, логи и пр.. В частности, нам понадобятся env::read и env::commit. Они предоставляются инфраструктурой zkVM.

  • use sha2::{Digest, Sha256}; – подключение криптографической библиотеки для расчета SHA-256. Данный crate способен работать в режиме no_std, не требуя кучу (все вычисления происходят на стеке). Библиотека реализует трейт Digest, предоставляющий метод digest() для удобного расчета хеша.

  • Функция main() – точка входа гостевой программы. Здесь начинается и заканчивается наше доказуемое вычисление. В контексте zkVM эта функция выполняется внутри изолированной VM, а после завершения формируется receipt (доказательство с журналом).

  • let secret: [u8; 32] = env::read(); – читаем 32-байтовый секретный ключ. Предположим, другой узел заранее договорился с нами, что мы будем доказывать владение 32-байтовым секретом (например, приватный ключ Curve25519 или просто случайный токен). Эта строка вызывает функцию окружения read, которая блокирующе получает данные от хоста. В RISC Zero host-код перед запуском гостя записывает входные данные в память, доступную гостю. Здесь мы ожидаем именно массив из 32 байт. Функция env::read() умеет десериализовать тип, указанный слева от присваивания (если он удовлетворяет необходимым трейтам). Массив [u8; 32] – Copy-тип, все байты копируются из входного буфера в локальную переменную secret. Где хранится secret? Поскольку это локальная переменная фиксированного размера, она размещается на стеке внутри фрейма функции main. Объем 32 байта – маленький, проблем для стека нет. После этого у нас есть копия секретного ключа в памяти гостя. Важный момент: этот ключ нигде больше не хранится вне гостя – host передал его (вероятно, тоже копию из своей памяти) и не видит, что происходит дальше. Владелец данных – переменная secret в нашем коде. Когда main завершится, secret выйдет из области видимости, и память под него будет освобождена (занулена или просто помечена как свободная на стеке).

  • let hash = Sha256::digest(&secret); – вычисляем SHA-256 хеш от секретного ключа. Здесь мы передаем в функцию digest ссылку на наш массив secret (&secret). Таким образом, сами 32 байта ключа не копируются заново в функцию хеширования – передается лишь указатель на них. Это пример безопасного borrow: мы заимствуем данные для чтения. Функция digest внутри реализует алгоритм SHA-256, используя локальный состояние (несколько промежуточных переменных, константные таблицы и т.д.). Этот алгоритм не выполняет никаких аллокаций на куче – все происходит либо в регистрах CPU zkVM, либо на стеке, либо, в случае RISC Zero, часть работы делается специальной командой ускорителя SHA-256. В итоге переменная hash получает значение типа GenericArray<u8, U32> (внутренний тип библиотеки для 32-байтового буфера). По сути, это и есть массив 32 байт, но обернутый в тип, понимаемый как результат Digest. Заметим: в ходе вычисления &secret ссылка обеспечивает только чтение; оригинальный секрет не изменяется. Borrow checker Rust гарантирует, что ссылка &secret не переживет secret – здесь обе переменные созданы в одном блоке, и secret жив до конца main, так что все в порядке. Если бы мы попытались использовать secret (или изменить его) одновременно с его изменяемой ссылкой – компиляция не прошла бы. Здесь же у нас только неизменяемый доступ, что допускается (к тому же secret не mut). Где находится вычисляемый хеш? Он формируется либо в регистрах/стеке (если код реализован программно), либо во внутренних регистрах zk-процессора (если вызван ускоритель). После завершения, результат (hash) хранится у нас как локальная переменная – вероятно, тоже на стеке (размер 32 байта).

  • let hash_bytes: [u8; 32] = hash.into(); – преобразуем результат хеша в обычный массив [u8; 32]. Это нужно для удобства передачи в commit. Метод .into() здесь потребляет (перемещает) значение hash и возвращает обычный массив байт. Поскольку hash по сути уже содержит 32 байта, происходит копирование этих байтов в новый массив hash_bytes. Эта операция выполняется на стеке и занимает фиксированное время. После нее переменная hash_bytes – наш хеш, лежащий как массив на стеке. Переменная hash больше не нужна (ее владелец переместился), и компилятор, вероятно, оптимизирует вообще ее отсутствие, работая напрямую с массивом. Но логически мы освободили ресурс hash (хотя у него тоже нет явного деструктора, он Copy-подобен). Здесь видно преимущество Copy: на самом деле GenericArray тоже должен реализовывать Copy, поэтому возможно мы могли обойтись без into(), но для наглядности сделали отдельный массив. Тем не менее, даже это копирование 32 байт – несущественная цена.

  • env::commit(&hash_bytes); – коммитим хеш в журнал. Коммит в контексте zkVM означает запись некоторого значения в специальный вывод, который станет доступным проверяющей стороне вместе с доказательством. Только закоммиченные данные могут увидеть внешние наблюдатели; все остальные переменные (как secret) остаются скрытыми внутри доказательства. Мы передаем в commit ссылку на массив hash_bytes. Функция commit помечена как внешняя операция: она возьмет эти 32 байта и добавит их в журнал доказательства. После завершения программы, пруф будет содержать этот журнал, и другой узел сможет прочитать из него значение хеша. Что происходит с точки зрения памяти: commit лишь читает наши байты (по переданной ссылке) и записывает их в специально отведенную область, откуда формируется криптографический отпечаток (например, в RISC Zero используется концепция journal – массив байт, хранимый в receipt). Переменная hash_bytes при этом остается у нас, но сразу после мы завершаем функцию main.

  • Завершение main. По окончании функции все локальные переменные (secret, hash_bytes и промежуточные) покидают область видимости. Rust автоматически вызовет деструкторы, если бы они нужны были (здесь они тривиальны). Стековый фрейм очищается – фактически, достаточно сдвинуть указатель стека вниз, пометив память свободной. Память, где лежал секретный ключ, теперь пуста (или будет перезаписана, когда стек снова займет эти адреса). Таким образом, секрет нигде не остается лежать. На стороне zkVM формируется квитанция (receipt), включающая доказательство выполнения и журнал. В журнале – только наш публичный хеш. Секретный ключ никогда не покидал границы изолированного выполнения, и доказательство не раскрывает его (хеш не позволяет восстановить ключ, если он криптографически стойкий).

Теперь с позиции ZK-безопасности: какие данные ушли наружу? Только значение hash_bytes через commit. Переменная secret и все промежуточные данные остались приватными. В самом доказательстве, конечно, зашиты все шаги выполнения (операции процессора zkVM). Но проверяющий не видит сами шаги – он видит лишь финальный криптографический доказательство корректности и заявленные выходы. Поэтому можно быть уверенным: Rust строго ограничил раскрытие информации нашим явным выбором – мы решили раскрыть хеш, и ровно он и стал доступен. Если бы по ошибке мы попытались закоммитить сам секрет (например, env::commit(&secret)), то, понятное дело, мы бы выдали тайну. Хорошая новость: это было бы явно видно в коде и легко обнаруживается при ревью. Rust здесь не спасет от логической ошибки, но разработчик, следуя принципу – “не выводи ничего лишнего в журнал” – этого не сделает. Документация RISC Zero подчеркивает: отправляя данные в журнал, вы делаете их публичными. Наш пример этому правилу следует.

С точки зрения управления памятью внутри zkVM: мы нигде не использовали кучу. Все наши структуры – фиксированного размера ([u8; 32], хеш такого же размера). Поэтому ни один вызов аллокации не произошел. Это облегчает доказательство – мы не тратили такты на работу аллокатора, на поиск и управление динамической памятью. Кроме того, память нашего гостя ограничилась несколькими сотнями байт стека, что очень скромно. Если бы мы использовали кучу (например, сделали бы let data = vec![0u8; 1000];), то помимо расходов на создание Vec, в доказательстве появились бы операции выделения страницы памяти (в RISC Zero каждая страница – 4Кб, и аллокация большого буфера могла бы вызвать дорогостоящие page-in операции). Избежав этого, мы снизили нагрузку. Также, отсутствие unsafe гарантирует, что мы не сделали ничего странного: все указатели (ссылки), с которыми мы работали, были проверены. Например, env::read заполняет наш массив ровно 32 байтами – если бы внезапно хост дал меньше данных, произошла бы ошибка десериализации, но не переполнение буфера.

Передача владения в нашем коде произошла в основном один раз: при чтении входных данных. Функция env::read вернула новый объект [u8; 32], и мы сразу поместили его в secret – тем самым secret стал владельцем этих данных. Дальше мы нигде не передавали владение по значению – мы лишь брали ссылки. Когда вызывали Sha256::digest(&secret), мы дали доступ к secret по ссылке, не теряя владения. Когда вызывали env::commit(&hash_bytes), мы тоже дали только ссылку. Таким образом, к концу main владелец secret – все еще secret (сама переменная), а владелец hash_bytes – переменная hash_bytes. При выходе из main оба освобождаются. Если бы у нас были какие-то сложные структуры (скажем, Box), Rust бы вызвал их деконструкторы, освобождая кучу. Здесь все освобождения – тривиальны (сдвиг указателя стека).

Что попало в трассу пруфа? В трассу исполнения zkVM вошли все инструкции, которые выполнялись: чтение памяти, вызов SHA-256 (который, возможно, заменился на несколько специнструкций), запись в журнал. Однако для проверяющего доступны только итоговые коммиты и хеш финального состояния. Конкретные значения регистров или памяти (включая secret) остаются известны только в зашифрованном виде для доказательства. Таким образом, секретный ключ хотя и фигурирует в вычислениях, но надежно скрыт. Публичный журнал содержит SHA-256, который другой узел может сравнить с ожидаемым. Если хеш совпадает с известным значением (например, с хешем, вычисленным заранее из публичного ключа), то проверяющий убеждается, что собеседник действительно использовал правильный секрет в ходе доказательства. Никто посторонний при этом не узнал сам секрет.

Итог: небольшой фрагмент кода на Rust продемонстрировал основные принципы безопасного управления памятью в zero-knowledge программе. Мы использовали стек для хранения чувствительных данных, избегали ненужных копий, строго контролировали, что выводится наружу, и полагались на компилятор Rust для предотвращения ошибок. Такой подход обеспечивает и безопасность (секрет не утек), и эффективность (программа очень проста, значит доказательство будет быстрым).

Выводы и рекомендации

Разработка безопасных и эффективных zkVM-приложений требует внимания как к алгоритмам, так и к низкоуровневым аспектам, особенно управлению памятью. Язык Rust предоставляет разработчику мощные инструменты для написания надежного кода, и следующие рекомендации помогут максимально использовать эти возможности в контексте zero-knowledge:

  • Предпочитайте безопасный код и проверенные абстракции. Избегайте unsafe в гостевом zkVM-коде. Практически нет случаев, когда низкоуровневые небезопасные трюки оправданы внутри доказательства – выигрыш в производительности не перекрывает риск ошибиться и скомпрометировать безопасность. Кроме того, unsafe-код может вызвать недетерминированность или несоответствие модели, что недопустимо. Используйте богатую стандартную библиотеку Rust (или ее no_std аналоги) – например, вместо самописных указателей применяйте ссылки, вместо ручного управления памятью – типы как Box, Vec (если позволительно, но лучше фиксированные массивы), и т.д.

  • Храните критичные данные на стеке или в регистрах, а не в куче. Стековая память автоматически очищается и не фрагментируется. Данные на стеке живут ровно столько, сколько нужно, и не требуют явного контроля. Куча же может привести к более долгим и непредсказуемым операциям. В среде zkVM, как мы видели, все динамические выделения синхронны и дороги. Поэтому, если ваш алгоритм допускает фиксированный размер буфера – используйте массив [u8; N] или аналогичную структуру. Если данные потенциально большие или переменного размера, попробуйте разбить их на части или использовать потоковую обработку, чтобы не держать огромный кусок в памяти сразу. В случаях, когда без кучи не обойтись (например, работа с очень гибкими структурами), убедитесь, что вы не делаете частых аллокаций впустую. Повторное использование буферов, пулл памяти – возможные техники, но они усложняют код. Чаще всего проще выбрать правильные структуры.

  • Минимизируйте объем публичных данных. Zero-knowledge протокол тем сильнее, чем меньше он раскрывает. Даже если вы неявно выводите что-то (например, размеры структур, времена выполнения), это может теоретически давать боковую информацию. В RISC Zero по умолчанию скрыты даже счетчики тактов и паттерны доступа к памяти, но помните: любой вывод в журнал – это публичная информация. Поэтому коммитьте только то, что действительно нужно проверяющей стороне. Если возможна верификация без вывода лишних данных – выберите этот путь. Например, вместо того чтобы выдавать сам хеш, можно было бы внутри пруфа сравнить его с ожидаемым и вывести только флаг успех/неуспех. Тогда хеш тоже остался бы секретом. Решение зависит от протокола: для двусторонней аутентификации может быть достаточно булева значения “ключ верен”.

  • Используйте ownership/borrow чтобы избежать копирования больших структур. Если у вас есть крупные данные (например, массивы, векторы), и нужно передать их в функцию, анализ или хеширование – передавайте ссылку (& или &mut), а не владение, если функция не требует владеть данными. Таким образом, не будет создана копия всего массива, экономятся циклы. Вспомним совет: “убрать лишнее копирование и сериализацию”. Borrowing – естественный способ это сделать в Rust. Конечно, иногда нужно именно скопировать (как мы копировали 32-байтовый хеш в примере – это не страшно). Но копирование 1MB массива – уже существенно. Вместо этого можно, к примеру, вычислять хеш частями или обращаться по ссылке.

  • Следите за размерами типов и выравниванием. Rust гарантирует вам отсутствие переполнения стека, если вы не размещаете на нем что-то огромного размера. Но вы все равно должны понимать: размещение массива размером несколько сотен килобайт на стеке – плохая идея. Он может не поместиться и вызвать переполнение. Если нужны большие буферы – лучше куча (с оговоркой о ее стоимости). Оптимизируйте структуру данных: например, не храните векторы резервом гораздо больше, чем нужно, обрезайте (shrink_to_fit) если возможно перед доказательством. Каждый лишний байт – это немного лишней работы для zkVM.

  • Проектируйте архитектуру “минимальных доказательств”. В P2P-системах не всегда нужно доказывать вообще все действия. Zk-подходы дорогие, поэтому используйте их для критических узких мест доверия. В нашем примере мы вынесли в доказательство только проверку знания ключа. Остальная логика мессенджера – обмен сообщениями, шифрование трафика и прочее – может выполняться обычным образом вне пруфа, после установления доверия. Такой split design (разделение дизайна) позволяет не нагружать zkVM лишней работой. То есть стремитесь писать маленькие гостевые программы, которые делают ровно одну задачу, но зато надежно и быстро. zkVM позволяет, к примеру, композировать доказательства или делать поэтапные проверки. Это лучше, чем писать один огромный гость, доказывающий сразу всё (что было бы медленно и сложно верифицировать).

  • Профилируйте и оптимизируйте критичные участки. Используйте инструменты профилирования (RISC Zero предоставляет, например, счётчик тактов env::cycle_count) внутри гостя, чтобы определить, где тратится время. Возможно, самая тяжелая часть – не там, где вы думаете. Может оказаться, что бутылочное горлышко – копирование данных или сортировка. Тогда стоит подумать, как её упростить или заменить на более эффективный алгоритм (например, заменить линейный поиск на двоичный, если данные большие). Помните, классические оптимизационные приёмы могут работать иначе в zkVM (см. отсутствие параллелизма, неэффективность branch-prediction и т.п.). Поэтому оптимальный код для обычного CPU не всегда оптимален для виртуального доказывающего CPU. Например, более простые, хотя и чуть более долгие пути без ветвлений могут оказаться лучше, чем экономия парочки операций ценой ветвления.

  • Воспользуйтесь готовыми крипто-акселераторами. Если ваша задача включает хеширование, проверку подписи, Merkle-проверки – изучите, нет ли в вашей zkVM платформе встроенной поддержки. Мы видели пример с SHA-256: лучше вызвать готовую реализацию, чем крутить цикл вручную. Аналогично, в некоторых системах есть специальные виджеты для арифметики больших чисел, для Merkle-древьев и т.п. Это позволит сэкономить тысячи тактов, а значит, повысить скорость доказательства и снизить нагрузку на доказателя.

Почему всё это критично для безопасности и масштабируемости? Потому что zero-knowledge proof – это баланс между секретностью и затратами. Ошибка в управлении памятью может раскрыть секрет – тут безопасность рушится. Неэффективное управление памятью раздует число шагов – тут страдает масштабируемость, доказательства становятся медленными и дорогими. Используя Rust, разработчик получает безопасность памяти “из коробки”, а следуя описанным рекомендациям, можно писать код, который генерирует короткие, легковерифицируемые доказательства. Именно поэтому Rust приобретает популярность в разработке ZK-систем: он позволяет сконцентрироваться на логике протокола, во многом снимая рутинные проблемы безопасности.

В заключение, при разработке zkVM-программ думайте о памяти так же, как об алгоритмах. Помните, что каждый байт и каждая операция видны “виртуальному проверяющему”, и задайте себе вопросы: “А можно ли меньше аллоцировать? А можно ли не копировать? А точно ли мне нужно вывести это значение наружу?” Rust, со своими концепциями владения и заимствования, буквально подсказывает ответы на эти вопросы, заложенные в сам язык. Используйте его сильные стороны, пишите чистый и понятный код – и ваши zero-knowledge решения будут безопасными, быстрыми и элегантными. Приятной разработки!