Opside：下一代 ZK-Rollups 的先驱去中心化证明者

为什么我们需要去中心化的证明者？

目前，以太坊主网上运行着多个 ZK-Rollup。然而，去中心化ZK-Rollups的设计仍处于早期阶段。我们目前关注的是去中心化排序器的问题，但大多数人忽略了一个事实，即目前大多数 ZK-Rollup 项目都没有实现去中心化证明者。

对于 ZK-Rollups，集中式证明者仍然是安全的，并且不会带来与集中式排序器相同的审查问题。但是，中心化的证明者也会带来很多问题。首先，如果只有一个证明者，单个节点故障会导致整个 ZK-Rollup 无法提交其有效性证明，从而影响交易的最终性。

其次，中心化证明者成本高，无法满足未来海量ZK-Rollups的计算需求。

最后，从经济角度来看，一个中心化的证明者独享一部分利润，从代币经济学的角度来看，其实是不公平的。

去中心化证明者的挑战

去中心化证明者可以有效解决上述问题，但也带来了一些挑战。这也是最近推出的几个 zkEVM 方案都采用中心化证明者方案的原因之一。例如，Polygon zkEVM 的 beta 主网依赖于可信聚合器提交 ZKP，zkSync 时代在这方面类似。

从技术角度来看，ZK-Rollup 的智能合约在验证 ZKP 时，需要原始证明数据。这可能会触发各种链上攻击行为。例如，当某个证明者将计算出的 ZKP 提交给链级合约时，需要发送 L1 交易。当这笔交易广播到交易池时，攻击者可以看到原始证明数据，他们可以设置更高的gas fee来发送交易，从而最先被打包成一个区块并获得PoW奖励。

此外，由于证明者基于计算能力相互竞争，没有可靠的身份识别机制，也很难建立通信机制。不同的矿工可能会执行重复的工作，从而导致计算能力的浪费。

ZKP的两步提交

第一步：提交哈希

• 证明者为某个序列计算出ZKP后，首先计算出（证明/地址）的哈希值，并将哈希值和地址提交给链级智能合约。这里的证明是对某个序列的零知识证明，地址是证明者的地址。

  
  

• 假设第一个证明者在第 T 个区块提交了 ZKP 的哈希，直到第 T+10 个区块被接受，没有任何限制。从第 T+11 个区块开始，新的证明者不能再提交哈希。

  
  

第二步：提交ZKP

• 在第 T+11 个区块之后，任何证明者都可以提交 ZKP。只要一个 ZKP 通过验证，就可以用来验证所有提交的哈希值。经过验证的证明者根据矿工的抵押金额比例获得 PoW 奖励。

  
  

• 如果在第 T+20 个区块之前没有 ZKP 通过验证，则所有提交哈希的证明者都将被罚没。然后重新打开序列，可以提交新的哈希值，返回到步骤 1。

  
  

举个例子：假设 Opside 网络上每个区块的 PoW 奖励为 128 IDE，目前有 64 个 rollup 插槽可用。因此，每个汇总序列都分配了 2 IDE 的 PoW 奖励。如果A、B、C三名矿工连续成功提交了一个序列的正确ZKP，则三名矿工的矿工权益（IDE）分别为200K、500K、300K。那么，A、B、C 分别可以获得 0.4 IDE、1 IDE、0.6 IDE 的 PoW 奖励。

证明者的代币质押和惩罚

为了防止证明者的恶意行为，证明者需要注册一个特殊的系统合约并抵押一定数量的代币。如果当前质押量小于阈值，则证明者无法提交哈希和 ZKP。证明人提交 ZKP 的奖励将按照质押金额的比例进行分配，避免证明人提交多个 ZKP。

如果证明者有以下行为，将受到不同程度的惩罚：

• 证明者提交了不正确的哈希。
• 对于某个序列，如果没有对应的ZKP通过验证，则所有提交哈希的证明者都会受到惩罚。
• 没收的代币将被烧毁。

有关 ZKP 两步提交机制的更多详细信息和注意事项，建议读者参考 Opside 官方文档。证明者的抵押和惩罚的具体数字可能会在未来发生变化。

几个注意事项：

• 为什么允许多个证明者提交哈希值？如果只有第一个提交哈希的证明者得到奖励，其他证明者可能没有动力在第一个证明者提交哈希后提交证明。如果恶意攻击者在提交哈希后长时间延迟提交证明，可能会减慢整个序列的验证速度。因此，需要允许多个证明者独立并同时提交哈希值，以避免单个攻击者垄断 ZKP 验证。

  
  

• 为什么会有时间窗？如果任何人都可以在提交哈希后立即提交证明，证明仍然可能被盗。攻击者可以立即提交与其地址关联的哈希值，然后提交证明以获得奖励。通过设置时间窗口，已经提交哈希的证明者没有动力在窗口内提交证明，从而避免了被竞速的可能性。

  
  

• 为什么奖励是根据权益分配的？多个证明者可以在一个时间窗口内提交同一序列的哈希值。事实上，矿工可以使用他们生成的证明提交多个哈希（只需要多个地址）。这可能导致矿工拿走大部分甚至所有 PoW 奖励。为了避免这种攻击，一个序列的奖励将根据矿工的抵押数量的比例进行分配。

  
  

总结与规划

本文提出的ZKPs两步提交算法实现了证明者的去中心化，同时有效避免了竞态攻击，鼓励更多矿工提供稳定、持续的ZKP算力。该算法的初始版本将在 Opside pre-alpha 测试网上发布。

未来， Opside还将在ZKP挖矿领域推出更多创新理念，例如：

• 根据全网ZKP算力的供求动态调整PoS和PoW之间的奖励分配比例。
• 基于 ZK-Rollup 类型、Rollup 交易数量和 Rollup 的 gas 使用量的 Rollup 批次的个性化定价机制。
• 补贴应用程序开发人员为其相关 Rollup 生成 ZKP，以鼓励矿工提供计算能力。