PRO:去中心化的Prover如何實現？Opside 創新性提出 ZKP的兩步提交算法_Perpetual Protocol

原文來源：OpsideTeam

為什么我們需要去中心化的?prover

當前，以太坊主網上已經有多個?ZK-Rollups?在運行了。然而?ZK-Rollup?的去中心化設計仍然處于早期階段。我們目前都聚焦在?Sequencer?的去中心化問題上，大部分人都忽略了，實際上目前絕大部分的?ZK-Rollup?項目都沒有實現去中心化的?prover。

對于?ZK-Rollup?來說，中心化的?prover?仍然是安全的，并且也不像中心化的?sequencer?那樣會帶來審查的問題。但是中心化的?prover?也會引發很多問題。首先，如果只有一個?prover，那么單節點宕機就會造成整個?ZK-Rollup?的有效性證明無法提交，從而給交易的最終確定性造成影響。其次，中心化的?prover?成本高昂，無法承擔未來海量的?ZK-Rollup?的算力需求。最后，從經濟的角度來說，中心化的?prover?獨享了一部分收益，這在代幣經濟學上來說，實際上是不公平的。

Metaplex發布使其代幣元數據合約完全去中心化的具體措施:5月23日消息，Solana生態NFT平臺Metaplex今天發布關于代幣元數據的公告，相關三個重要更新為：1.Metaplex基金會將使代幣元數據（Token Metadata）達到不可更改的最終狀態，這意味著任何實體都不能升級或修改程序或其管理的資產。2.Metaplex基金會和Solana基金會已就保留代幣元數據的某些關鍵特征的計劃達成一致，包括代幣元數據訪問無需許可、繼續平等對待所有調用代幣元數據來創建、更新、轉移、銷毀、上線、購買或銷售NFT的程序、不會使用 MPLX對代幣元數據的功能進行門控；3.將在未來幾天向代幣元數據程序中引入適度的網絡費用，范圍從0.01到0.001 SOL。通過建立完全去中心化代幣元數據的路徑，該框架確保了一個公平、可靠和無需許可的生態系統，以及對協議的持續投資，以長期發展Solana NFT。[2023/5/23 15:20:31]

去中心化?prover?的挑戰

富達：比特幣網絡是現存最去中心化和最安全的協議:金色財經報道，Bitcoin Magazine發布推文，銀行業巨頭富達表示：Bitcoin網絡可以說是現存最去中心化和最安全的協議。[2022/7/15 2:15:53]

去中心化?prover?能很好地解決以上的問題，但是也帶來一些挑戰，這也是為什么最近上線的幾個?zkEVM?方案采用了中心化?prover?方案的原因之一。例如?PolygonzkEVM?的?betamainnet?中依靠?trustedaggregator?來提交?ZKP，zkSyncera?也是類似。

從技術細節上來講，ZK-Rollup?的智能合約驗證?ZKP?的時候，需要原始的?proof?數據，這就可能引發各種不同的鏈上攻擊行為。例如，某一個?prover?提交計算出來的?ZKP?到鏈上合約時，需要發一筆L1的交易。當這個?prover?發出的交易廣播到交易池中，攻擊者就可以看到原始?proof?數據，攻擊者可以設置一個更高的?gas?費來發交易，從而優先打包到區塊中，來獲取?PoW?獎勵。

去中心化衍生品交易平臺Firefly開啟最終測試網注冊并將上線APP:2月22日消息，基于Polkadot的衍生品交易所Firefly最終測試網現在已開啟注冊，測試網申請將開放7天。同時，Firefly將上線全網第一個Defi交易手機app。Firefly是一個去中心化基于訂單簿系統的衍生品交易所。Firefly交易所使用無需信任的Layer 2區塊鏈技術，做到媲美于中心化交易所的交易速度以及低成本，并兼顧去中心化交易所的安全性以及透明度。Firefly在2021年得到了Polychain、三箭資本、Alameda Research、Fenbushi、Parafi、Huobi、Cumberland等眾多機構投資。[2022/2/23 10:09:07]

此外，由于?prover?之間是依靠算力來競爭，沒有一個可信的身份識別機制，也很難建立一個通信機制。不同的礦工有可能做重復的工作，從而造成算力的浪費。

WOO Network投資去中心化衍生品協議Deri Protocol:10月12日消息，去中心化衍生品協議Deri Protocol發推稱，交易平臺WOO Network成為其投資者，將幫助Deri Protocol加速增長、創新和擴展。[2021/10/12 20:22:39]

ZKP?的兩步提交

Opside提出了一個?ZKP?兩步提交算法，來實現了?prover?的去中心化。這種算法既能夠防止?ZKP?搶跑攻擊，又可以讓更多的礦工獲得獎勵，從而鼓勵更多的礦工在線，并提供穩定、持續的?ZKP?算力。

第?1?步：提交?hash

對于某個?sequence，prover?計算出?ZKP?之后，首先計算的?hash，并向鏈上智能合約提交?hash?和?address。其中，proof?是某一個?sequence?的零知識證明，address?是該?prover?的地址

去中心化網絡存儲協議Ceramic宣布主網正式上線:官方消息，去中心化網絡存儲協議Ceramic宣布主網正式上線，開發人員現在可以創建數據流并將其部署到生產就緒節點的p2p網絡。[2021/6/30 0:16:23]

假設在第?1?個?prover?在第?T?個區塊提交了?hash，則在第?T+?10?區塊以內，還可以接受其他?prover?提交?hash，沒有數量限制。第?T+?11?區塊及之后，不再接受新的?prover?提交?hash

第?2?步：提交?ZKP

第?T+?11?區塊及之后，允許任何?prover?提交?ZKP。只要有一個?ZKP?通過驗證，那么就可以根據該?ZKP?對所有提交過的?hash?進行校驗。校驗通過的?prover?都可以得到?PoW?獎勵，獎勵金額按照礦工質押量的比例來分配。

如果在第?T+?20?區塊之前，都沒有?ZKP?通過驗證，則所有提交過?hash?的?prover?都將被?slash。此時該?sequence?重新開放，允許提交新的?hash，回到第?1?步

舉一個例子，假設?Opside?中每個L2區塊的?PoW?獎勵是?128IDE，當前總共有?64?個?Rollupslots，那么每一個?Rollupsequence?分配到的?PoW?獎勵是?2IDE。如果先后有?A,B,C3?個礦工為一個?sequence?提交了正確的?ZKP，且?A,B,C3?個礦工的礦工質押量分別為?200?K，?500?K，?300?K。那么，A,B,C?可以獲得的?PoW?獎勵分別為?0.4IDE，?1IDE，?0.6IDE。

Prover?的質押與懲罰

為了避免針對?prover?的惡意行為，prover?需要在一個特殊的系統合約中注冊，并質押一定數量的?token。如果當前質押數量小于閾值，則不允許提交?hash?和?ZKP。prover?提交?ZKP?獲得的獎勵也將依據質押量比例來分配，從而避免?prover?多次提交?ZKP?的惡意行為。

當?prover?出現以下行為，會進行不同程度的懲罰

prover?提交了錯誤的?hash

對于某個?sequence，如果沒有對應的?ZKP?通過驗證，則所有提交過?hash?的?prover?都將被懲罰

罰沒的?token?將被燒毀。

關于?ZKP?的兩步提交機制更多的細節與考量，請讀者參閱官方文檔。prover?質押以及懲罰的具體數字在未來可能會改動。

幾個考量

為什么允許多個?prover?提交?hash？如果第一個?hash?的提交者才能獲得獎勵，那么第一個?prover?提交了?hash?之后，其他?prover?就沒有動力提交?proof。如果一個惡意攻擊者提交?hash?之后遲遲不提交?proof，那么會阻礙整個?sequence?被驗證的速度。因此應當允許多個?prover?獨立且并行地提交?hash，以避免?ZKP?的驗證被單個攻擊者壟斷。

為什么需要設置一個時間窗口？假設任何人在提交了?hash?之后可以立即提交?proof，那么該?proof?仍然有可能被搶跑。因為攻擊者會立即提交一個與自己地址關聯的?hash，隨后提交?proof，從而獲取獎勵。設置時間窗口之后，提交過?hash?的?prover?就沒有動力在此時間窗口內提交?proof，從而避免了?proof?被攻擊者利用的可能。

為什么要按照質押量來分配?PoW?獎勵？在一個時間窗口內，允許多個?prover?為同一個?sequence?提交?hash。實際上，礦工可以利用自己生成的?proof?提交多個?hash，從而占有大部分甚至所有?PoW?獎勵。為了避免這種攻擊行為，一個?sequence?的?PoW?獎勵將按照礦工質押量的比例來分配。

總結與規劃

本文提出的?ZKP?兩步提交算法，在實現了?prover?去中心化的同時，能很好地規避針對?prover?的搶跑攻擊，并鼓勵更多的礦工提供穩定、持續的?ZKP?算力。最初的版本將在?Opside?的?Pre-alphatestnet?上線。在未來，Opside?也將在更多?ZKP?的挖礦領域進行更多創新。例如：

根據整個網絡的?ZKP?算力供需關系，動態調整?PoS?與?PoW?的獎勵分配比例

根據?ZK-Rollup?類型、Rollup?交易數量、gas?使用量等進行工作量預估，建立?Rollupbatch?的個性化定價機制

應用開發者對所屬?Rollup?的?ZKP?生成進行補貼，以激勵礦工提供算力

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