去中心化的Prover如何实现？Opside创新性提出ZKP的两步提交算法

原文来源：Opside Team

为什么我们需要去中心化的 prover

当前，以太坊主网上已经有多个 ZK-Rollups 在运行了。然而 ZK-Rollup 的去中心化设计仍然处于早期阶段。我们目前都聚焦在 Sequencer 的去中心化问题上，大部分人都忽略了，实际上目前绝大部分的 ZK-Rollup 项目都没有实现去中心化的 prover。

对于 ZK-Rollup 来说，中心化的 prover 仍然是安全的，并且也不像中心化的 sequencer 那样会带来审查的问题。但是中心化的 prover 也会引发很多问题。首先，如果只有一个 prover，那么单节点宕机就会造成整个 ZK-Rollup 的有效性证明无法提交，从而给交易的最终确定性造成影响。其次，中心化的 prover 成本高昂，无法承担未来海量的 ZK-Rollup 的算力需求。最后，从经济的角度来说，中心化的 prover 独享了一部分收益，这在代币经济学上来说，实际上是不公平的。

去中心化 prover 的挑战

去中心化 prover 能很好地解决以上的问题，但是也带来一些挑战，这也是为什么最近上线的几个 zkEVM 方案采用了中心化 prover 方案的原因之一。例如 Polygon zkEVM 的 beta mainnet 中依靠 trusted aggregator 来提交 ZKP，zkSync era 也是类似。

从技术细节上来讲，ZK-Rollup 的智能合约验证 ZKP 的时候，需要原始的 proof 数据，这就可能引发各种不同的链上攻击行为。例如，某一个 prover 提交计算出来的 ZKP 到链上合约时，需要发一笔L1的交易。当这个 prover 发出的交易广播到交易池中，攻击者就可以看到原始 proof 数据，攻击者可以设置一个更高的 gas 费来发交易，从而优先打包到区块中，来获取 PoW 奖励。

此外，由于 prover 之间是依靠算力来竞争，没有一个可信的身份识别机制，也很难建立一个通信机制。不同的矿工有可能做重复的工作，从而造成算力的浪费。

ZKP 的两步提交

Opside 提出了一个 ZKP 两步提交算法，来实现了 prover 的去中心化。这种算法既能够防止 ZKP 抢跑攻击，又可以让更多的矿工获得奖励，从而鼓励更多的矿工在线，并提供稳定、持续的 ZKP 算力。

第 1 步：提交 hash

• 对于某个 sequence，prover 计算出 ZKP 之后，首先计算（proof / address）的 hash，并向链上智能合约提交 hash 和 address。其中，proof 是某一个 sequence 的零知识证明，address 是该 prover 的地址

• 假设在第 1 个 prover 在第 T 个区块提交了 hash，则在第 T+ 10 区块以内，还可以接受其他 prover 提交 hash，没有数量限制。第 T+ 11 区块及之后，不再接受新的 prover 提交 hash

第 2 步：提交 ZKP

• 第 T+ 11 区块及之后，允许任何 prover 提交 ZKP。只要有一个 ZKP 通过验证，那么就可以根据该 ZKP 对所有提交过的 hash 进行校验。校验通过的 prover 都可以得到 PoW 奖励，奖励金额按照矿工质押量的比例来分配。

• 如果在第 T+ 20 区块之前，都没有 ZKP 通过验证，则所有提交过 hash 的 prover 都将被 slash。此时该 sequence 重新开放，允许提交新的 hash，回到第 1 步

举一个例子，假设 Opside 中每个L2区块的 PoW 奖励是 128 IDE，当前总共有 64 个 Rollup slots，那么每一个 Rollup sequence 分配到的 PoW 奖励是 2 IDE。如果先后有 A, B, C 3 个矿工为一个 sequence 提交了正确的 ZKP，且 A, B, C 3 个矿工的矿工质押量（IDE）分别为 200 K， 500 K， 300 K。那么，A, B, C 可以获得的 PoW 奖励分别为 0.4 IDE， 1 IDE， 0.6 IDE。

Prover 的质押与惩罚

为了避免针对 prover 的恶意行为，prover 需要在一个特殊的系统合约中注册，并质押一定数量的 token。如果当前质押数量小于阈值，则不允许提交 hash 和 ZKP。prover 提交 ZKP 获得的奖励也将依据质押量比例来分配，从而避免 prover 多次提交 ZKP 的恶意行为。

当 prover 出现以下行为，会进行不同程度的惩罚

• prover 提交了错误的 hash

• 对于某个 sequence，如果没有对应的 ZKP 通过验证，则所有提交过 hash 的 prover 都将被惩罚

罚没的 token 将被烧毁。

关于 ZKP 的两步提交机制更多的细节与考量，请读者参阅官方文档。prover 质押以及惩罚的具体数字在未来可能会改动。

几个考量

• 为什么允许多个 prover 提交 hash？如果第一个 hash 的提交者才能获得奖励，那么第一个 prover 提交了 hash 之后，其他 prover 就没有动力提交 proof。如果一个恶意攻击者提交 hash 之后迟迟不提交 proof，那么会阻碍整个 sequence 被验证的速度。因此应当允许多个 prover 独立且并行地提交 hash，以避免 ZKP 的验证被单个攻击者垄断。

• 为什么需要设置一个时间窗口？假设任何人在提交了 hash 之后可以立即提交 proof，那么该 proof 仍然有可能被抢跑。因为攻击者会立即提交一个与自己地址关联的 hash，随后提交 proof，从而获取奖励。设置时间窗口之后，提交过 hash 的 prover 就没有动力在此时间窗口内提交 proof，从而避免了 proof 被攻击者利用的可能。

• 为什么要按照质押量来分配 PoW 奖励？在一个时间窗口内，允许多个 prover 为同一个 sequence 提交 hash。实际上，矿工可以利用自己生成的 proof 提交多个 hash（只需要多个地址即可），从而占有大部分甚至所有 PoW 奖励。为了避免这种攻击行为，一个 sequence 的 PoW 奖励将按照矿工质押量的比例来分配。

总结与规划

本文提出的 ZKP 两步提交算法，在实现了 prover 去中心化的同时，能很好地规避针对 prover 的抢跑攻击，并鼓励更多的矿工提供稳定、持续的 ZKP 算力。最初的版本将在 Opside 的 Pre-alpha testnet 上线。在未来，Opside 也将在更多 ZKP 的挖矿领域进行更多创新。例如：

根据整个网络的 ZKP 算力供需关系，动态调整 PoS 与 PoW 的奖励分配比例

根据 ZK-Rollup 类型、Rollup 交易数量、gas 使用量等进行工作量预估，建立 Rollup batch 的个性化定价机制

应用开发者对所属 Rollup 的 ZKP 生成进行补贴，以激励矿工提供算力