在当今的数字世界中，零知识证明（Zero-Knowledge Proofs, ZKPs） 作为一种革命性的密码学工具，能够在验证计算正确性的同时，严格保护输入数据的隐私。而领域特定语言（Domain-Specific Languages, DSLs） 作为零知识证明基础设施的关键组成部分，极大地简化了 ZKP 电路的开发与验证流程，成为连接抽象概念与具体电路实现的重要桥梁。
过去十年间，零知识证明领域专用语言的数量和多样性显著增长，涌现出如 Noir、Leo、Zinc 等多种电路语言。无论是像 Circom 这样的通用选择，还是像 Cairo 这样为特定平台定制的语言，开发者如今拥有丰富多样的工具来选择适合的 ZK 电路编写方案。
本文将深入探讨当前最主流的零知识证明编程语言，分析每种语言的独特优势与适用场景。
Cairo：StarkWare 的通用计算利器
Cairo 是由 StarkWare 开发的编程语言，专门为 STARK 证明的通用计算程序而设计。它在 StarkNet 和 StarkEx 的成功中扮演着关键角色，有效支持了以太坊主网上各类应用的可扩展性，包括 dYdX、Sorare 和 Immutable X 等知名项目。Cairo 的名称来源于“CPU 代数中间表示”（CPU Algebraic Intermediate Representation），在零知识证明领域，它相当于汇编语言，对熟悉 C、C++ 或 Solidity 的低层编程开发者十分友好。
Cairo 借鉴了 Rust 的设计理念，让开发者能够以安全和易于使用的方式编写 Starknet 智能合约。其强大的语法简化了 ZK 电路的创建过程，使用户能够在 Cairo 程序中执行广泛的任务。此外，Cairo 具有高度的可扩展性，可以灵活地加入新特性和功能。
在效率和可扩展性方面，Cairo 通过优化策略（如约束减少和循环消除）显著降低了 ZK 电路通常带来的计算负担。优化后的电路设计使得证明生成和验证速度更快，非常适合需要高吞吐量和低延迟的应用场景。
Cairo 的生态系统在近两年经历了显著增长，全职开发者数量急剧上升，这反映出其广泛的适用性。Cairo 不仅限于区块链领域，在任何需要计算证明的场景中都能发挥价值。2023 年 9 月，Starknet 发布了 Cairo v2.3.0，引入模块化合约、增强的存储选项和事件管理功能，进一步提升了智能合约的潜力。
Zinc：zkSync 平台的安全之选
Zinc 是专为 zkSync 平台编写智能合约和 SNARK 电路而设计的编程语言。它采用 Rust 语法，融合了 Solidity 的某些元素，并具备独特的功能特性。Zinc 强调类型安全，支持用户自定义类型，避免类型混淆，同时支持类型推断，使语法更加简洁。
与其他 ZKP 编程语言不同，Zinc 非常注重用户友好性。开发者无需深入理解 Rank-1 约束系统（R1CS）的所有细节即可编写安全代码。Zinc 推崇不可变性，本质上是一种函数式语言，优先考虑不可变数据和函数求值，减少副作用，从而编写更清晰、错误更少的智能合约代码。
此外，Zinc 内置安全的数学运算，防止潜在的溢出问题，确保所有操作的安全性。尽管存在某些限制（如不支持无界循环和递归），但 Zinc 通过控制台日志跟踪简化了调试过程，使在测试网或主网上跟踪和排查交易变得更加容易。
Noir：Aztec 的隐私优先语言
Noir 是 Aztec 开发的一种基于 Rust 的开源领域特定语言，旨在帮助开发者创建 ZK 电路和程序，而无需深厚的密码学知识。它被认为是入门零知识应用开发最简单的语言之一，兼容多种证明系统。Noir 注重安全、简洁和性能，提供类似 Rust 的高级语法，在抽象密码学安全性和简化加密原语使用的同时，保持高性能表现。
Noir 的一个显著优势是能够扩大可利用 ZKP 隐私保护功能的应用范围，从而提升隐私和验证效率。Noir 编译为一种称为 ACIR（Abstract Circuit Intermediate Representation）的中间表示，可进一步编译为 R1CS。这种后端证明系统与语言本身的分离使 Noir 能够支持多种证明系统，包括 Aztec Brettenberg、Turbo Plonk，以及未来可能集成的 Groth16 和 Halo2。
Noir 提供标准库，包含 SHA-256 哈希函数和 Pedersen-Merkle 检查等高效特性。其类似 Rust 的设计包含函数、子模块、用户定义类型（结构体）、条件语句、循环和全局常量等熟悉的功能，目前正在开发泛型和一等函数，以进一步增强表达能力。
需要注意的是，Noir 仍处于开发阶段，可能存在一些限制和潜在错误，但开发团队致力于持续改进和优化语言。
o1js：TypeScript 的零知识框架
o1js（前身为 SnarkyJS）是由 0(1)Labs 创建的 TypeScript 库，用于使用 SNARK 编程语言编写智能合约。它充分利用 Node.js 和浏览器兼容性等成熟技术，确保开发者的便捷性和可访问性。
o1js 与 JavaScript 和 TypeScript 库及工具无缝集成，使开发者能够利用强大的生态系统和广泛的社区支持。这种集成简化了开发过程，降低了学习新开发环境的门槛。o1js 还全面支持 Visual Studio Code（VS Code），提供代码补全、语法高亮和调试功能，极大丰富了开发体验。
本质上，o1js 是一个多功能 ZK 框架，提供创建零知识证明所需的基本工具。它支持创建多种 ZK 程序，利用各种内置可证明操作，包括基础算术、哈希、签名、布尔运算和比较等。通过 o1js 框架，开发者可以在 Mina Protocol 上构建 zkApps——这些智能合约在客户端使用私有输入执行。
2023 年 9 月初，0(1)Labs 团队宣布从 SnarkyJS 过渡到 o1js，强调了对性能提升的承诺。他们成功将库加载时间减少了 3-4 倍，并更新了 Mina zkApp CLI，增强了用户界面构建体验，同时改进了 Archive Node API，提高了可靠性和清晰度。
Leo：Aleo 的隐私应用核心
Aleo 区块链作为一个独特平台，在智能合约领域特别注重隐私。其核心是 Leo 编程语言，这是一种受 Rust 启发的静态类型语言，专为开发隐私应用而设计，为创建安全保密的去中心化生态系统提供支持。Leo 的独特之处在于它引入了一套全面的工具包，用于通用零知识应用，包括测试框架、包注册表、导入解析器、远程编译器和定理生成器。
Leo 由 Howard Wu 领导的团队开发，旨在赋能开发者构建注重隐私和安全的去中心化应用。Leo 的设计借鉴了 Rust 原则，同时融入了一些类似 JavaScript 的元素，以促进开发过程的熟悉度和便捷性。此外，Leo 通过提供集成测试平台、包注册表和导入转换器来加速开发，使开发者能够专注于应用的核心逻辑，而不必担心基础设施问题。
Leo 的一个显著特点是其编译器，它将程序转换为低层 R1CS 证明格式。Leo 编译器的独特之处在于其严格的正式验证过程。这种验证至关重要，因为漏洞可能出现在从初始编程到审计和编译的各个阶段。通过严格的数学检查确保编译器符合程序员的意图，Leo 旨在降低未发现错误或潜在漏洞的风险，特别是在 L2 环境、ZK-rollup 或 Leo 平台上的私有程序中。
Circom：iden3 的专业电路语言
Circom 是由 Jordi Baylina 和 iden3 团队精心设计的专业领域特定语言，专门用于 ZK 电路开发。Circom 编译器用 Rust 编写，用于编译 Circom 语言编写的电路。值得注意的是，Circom 一直是实际应用中最受欢迎的 ZK 应用选择，如 Dark Forest 和 Tornado Cash。其流行归功于其出色的性能指标，包括通过优化的 WASM 证明实现快速浏览器证明、通过 rapidsnark 实现快速服务器端证明，以及高效的链上验证。
然而，需要注意的是，Circom 的功能主要针对 ZK 电路开发，这可能使其不太适合处理更广泛的计算任务。寻求更通用语言以满足更广泛开发需求的开发者可能会认为 Circom 的功能有些受限。在这种情况下，开发者可能需要结合其他编程语言或框架来满足更广泛的开发需求。
Circom 的兼容性主要围绕广泛使用的 ZKP 系统（如 snarkjs 和 libsnark）。虽然这种兼容性确保了与这些系统的无缝集成，但也意味着 Circom 电路继承了这些依赖项的特定特性和限制。偏好或需要替代 ZKP 系统的开发者可能会遇到兼容性挑战，或者需要投入额外精力来调整和集成 Circom 生成的电路到他们偏好的系统中。
Lurk：Lisp 的零知识变体
Lurk 是一种静态作用域的 Lisp 方言，受 Scheme 和 Common Lisp 的影响，具有一个独特特性：它允许使用 zk-SNARKs 直接证明程序的正确执行，从而实现简洁高效的验证。
Lurk 的主要应用场景
- 可验证计算：Lurk 允许以零知识方式证明其表达式的正确性，增强对计算结果的信任
- 零知识证明：用户可以在不透露具体细节的情况下证明知识，仅公开必要输入，保护隐私
- 内容可寻址数据：每个 Lurk 程序都配有唯一的内容标识符（CID），使其与 IPFS 和 IPLD 兼容
- 图灵完备性：Lurk 支持创建和证明任意计算声明
- 高阶函数：Lurk 函数可以接受和返回函数，实现表达性函数式编程
- 私有数据处理：Lurk 能够处理私有数据，同时确保可证明正确的输出而不损害隐私
在构建通用电路时，Lurk 利用 Lisp 的 "cons" 内存分配器功能。该分配器合并表达式并通过哈希生成引用。关键在于证明两个表达式确实哈希到相同的引用。这种验证使 Lurk 能够在 snark 电路中执行计算。
Lurk 的功能非常广泛，包括支持无界递归、循环、条件控制流和多种后端证明系统，如 Groth16 with SnarkPack+ 和 Nova。这种多功能性为各种应用打开了大门，包括可验证计算、私有数据处理和在 snark 电路中执行图灵完备程序。
常见问题
什么是零知识证明编程语言？
零知识证明编程语言是专门用于创建和验证零知识证明电路的领域特定语言。它们简化了开发过程，使开发者能够在不深入了解底层密码学原理的情况下构建隐私保护应用。这些语言通常提供高级抽象，同时保持与底层证明系统的兼容性。
如何选择适合的 ZKP 编程语言？
选择取决于具体需求：对于通用计算和以太坊生态集成，Cairo 是不错的选择；如果注重安全性和用户友好性，Zinc 可能更合适；Noir 适合初学者和需要跨平台兼容性的项目；而熟悉 TypeScript 的开发者可能会偏好 o1js。还应考虑语言的成熟度、社区支持和文档完整性。
零知识证明编程需要什么背景知识？
虽然这些语言旨在简化开发过程，但具备密码学基础、区块链概念和一般编程技能（特别是 Rust 或 JavaScript）会有很大帮助。大多数语言提供了详细的文档和教程，帮助开发者从不同背景入门零知识证明开发。
总结
零知识证明领域特定语言的发展前景广阔，随着 ZK 应用的多样化，这些语言将继续演进和扩展。成功的 DSL 需要建立活跃的社区和丰富的库资源来提升开发者体验。优先考虑与现有库兼容性的 DSL 能够利用更广泛开发者社区的集体知识和资源，促进更流畅的集成、加速开发过程，并在实施 ZK 应用时提供更大的适应性。
这类协作努力有助于围绕 DSL 培育更强大的生态系统，为开发者带来实实在在的好处，并将进一步推动零知识技术的采用和有效性。随着技术的不断成熟，我们可以期待这些语言在性能、安全性和可用性方面的持续改进，为下一代隐私保护应用奠定坚实基础。