KOP:以太坊扩容赛道又出新方案 Zkopru:zk-SNARK 与 Optimistic Rollup 的结合将如何实现隐私扩容?

通过zk-SNARK与OptimisticRollup技术的结合,Zkopru可实现ETH、ERC20s和ERC721s多种以太坊代币的快速、廉价和隐私的交易,并实现即时取款和隐私原子互换等功能。

撰文:殷耀平

以太坊Layer2隐私扩容新方案Zkopru问世

7月20日,Ethereum9?创始人WanseobLim在太坊技术论坛ethresear.ch上发布了一份新的以太坊扩容方案「Zkopru」的技术实现说明。

Ethereum9?是一种概念证明系统,使用Mimblewimble以及零知识证明等隐私技术来隐藏以太坊代币交易。

据WanseobLim介绍,这是一个结合了zk-SNARK和OptimisticRollup来实现隐私交易的Layer2扩容解决方案,该方案支持在二层网络中以低成本实现ETH,ERC20,ERC721之间的隐私转移和隐私原子交换,并实现了诸多其他亮点功能。

WanseobLim称,该方案是由他和化名为「barryWhiteHat」的以太坊开发者共同完成,他们从2019年11月开始构建此方案,目前Zkopru已发布测试网,代码已在github开源。

「barryWhiteHat」是以太坊社区最活跃的开发者和研究者之一,ZKRollup的扩容方案正是由barryWhiteHat在2018年下半年最先提出。

链闻查询该项目路线图发现,Zkopru计划分为Arcticroll、Burrito、Grilledburrito、Californiaroll、Dragonroll五个阶段进行迭代,github上的开发进度显示,目前第一阶段的开发工作已完成大部分。

Zkopru方案一经推出,便吸引了众多以太坊开发者的关注,*以太坊创始人*VitalikButerin第一时间表达了对该项目问世的祝贺,认为是一项「很棒」的工作,并在推特上转发了该项目的介绍文章。

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下面我们一起了解一下Zkopru扩容方案的主要思路和设计亮点。

什么是Zkopru?

Zkopru的全称是zk-Optimistic-Rollup,是一个基于zk-SNARK和OptimisticRollup的以太坊二层隐私扩容解决方案。可支持第二层网络中ETH、ERC20、ERC721各类代币之间的隐私转账和隐私原子交换,并且费用很低。

「Zkopru」方案使用OptimisticRollup来管理区块,使用zk-SNARK来构建隐私交易。

了解过以太坊Layer2扩容现状的都知道,目前最当红的扩容主力便是基于Rollup技术系列扩容方案,最主流的是两个分支ZKRollup和OptimisticRollup。

简单理解,「ZKRollup」方案是利用Rollup技术进行交易压缩,并利用?zk-SNARK技术实现交易打包和验证,以实现在减少交易成本的同时确保安全性。

「OptimisticRollup」方案吸收了ZKRollup方案对于数据可用性的优势,但去除了零知识证明部分,而是沿用了Plasma的欺诈证明机制。所以在该方案中,不像ZKRollup方案通过SNARK处理后再将数据聚合到链上,而是默认「乐观」相信节点会将最新且准确的数据发布到链上,否则当「验证者」发现有问题时,节点会受到相应惩罚。

了解更多关于Rollup的知识可以参考链闻文章「以太坊扩容最热门主力方案Rollup学习指南」。

而最新问世的「Zkopru」方案则是对zk-SNARK和OptimisticRollup的结合,相当于是在OptimisticRollup方案中,又加入了零知识证明的技术部分。

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Zkopru扩容方案有何特点?

据WanseobLim介绍,Zkopru方案能将每笔zk交易的gas费控制在可承受范围,并实现交易性能提升,使得:

以太坊隐私交易平均成本为每笔交易8000gas。理论上最大TPS为105此外,Zkopru中,交易数据消耗大约534字节,由于证明数据有256字节,未来如果使用证明聚合,还可以将交易成本降低50%左右。

此外,Zkopru方案还能实现以下功能。

1)支持ETH、ERC20甚至是ERC721资产。2)支持隐私原子交换,可以与隐私订单撮合系统一起使用。3)运用SubtreeRollup将默克树的更新挑战成本缩减至原来的1/20。4)即时取款功能实现,在区块最终性达成前,用户可以即时取款。5)利用批量存储和批量转移,可以构建一个内部二层网络。

Zkopru方案实现:如何证明交易真实性?

我们可以简单了解一下Zkopru方案是如何利用zk-SNARK技术完成交易验证的。

Zkopru方案认为,由于每个零知识证明事务都会接受若干个UTXOs作为其输入,并为其输出创建新的UTXO。因此,最重要的,就是验证输入和输出,从而完成对交易真实性的验证。

首先是输入验证

Zkopru使用Commitment-nullifier来实现隐私保护。在该方案中,每个zk事务会使用UTXO,但不会显示使用了哪个note,虽然会展示从UTXO派生出来的nullifier,但仅仅看到nullifier不可能与原始的UTXO建立起联系,从而可以实现隐私保护。

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链闻注:在Zcash的隐私交易方案中。每笔转账都会用note来表示,内容包括转账的金额和一个随机数。note有两个外在的表现形式:一个是Commitment,一个是Nullifier。Commitment代表一次金额转入,Nullifier代表一次消费。对于每个note,Commitment和Nullifier都是唯一的。因为Commitment和Nullifier是通过不同的Hash函数生成的结果,即使这两个数据公开,其他人也无法推断出Commitment和Nullifier之间存在联系。也就是说,提供一个Commitment,能说明进行了一笔转账。能提供对应的Nullifier,就能消费。了解更多请参见链闻文章。

要花费UTXOs时,必须满足以下条件:

UTXO成员证明:交易构建器提交每个UTXO的Merkle证明来证明其存在。为实现有效的SNARK计算,UTXO树使用Poseidon作为其哈希函数。

所有权证明:只有所有者才能花费UTXO,每个note都会有一个公钥字段,所有者通过使用配对的私钥创建EdDSA签名来证明其所有权。

承诺证明:整个环路需获取有关UTXOs输入的详细信息,从而计算输入量的总和。因此,所有者应该提供详细信息,其Poseidon哈希值应该等于Merkle证明和所有权证明的叶节点哈希值。

无效证明:给定的nullifiers应该从UTXOs输入中正确派生。

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其次是输出验证

每个zk事务可创建三种类型的输出:UTXO、取款和转移。

如果zk事务创建UTXO输出,Zkopru会追加到UTXO树中。如果zk事务创建取款输出,Zkopru会追加到Withdrawal树中。最后,批量转移是由区块中的每个zk事务的转移输出所组成。

因此,UTXO的输出应满足以下条件:

当输出是UTXO类型时,输出的公共哈希值必须与SNARK环路中计算所得值相等。当输出是取款或转移类型时,应该显示详细信息,因为该输出需要将正确数量的资产转移至网络外部。

零和证明

最后,zk事务应该保证输入等于输出,包括费用在内。

Zkopru功能实现:原子交换Atomicswap功能

目前,Zkopru在以一种很简单的方式支持原子交换。

如果A和B想交换他们的资产,他们会为彼此创建notes,并在交易数据中公开所需的note。然后,协调器应该配对相反的事务,或者被惩罚。

例如,Alice想用她的50个ETH换Bob的1000个DAI。Alice花费自己的一个60ETH的note,为自己创建10ETH的note,同时为Bob创建50ETH的note。此外Alice计算出自己未来得到的1000DAI的note的哈希值,并将该哈希值在她的交易事务中通过swap字段公开。同样,Bob花费自己的一个3000DAI的note,为自己创建2000DAI的note,为Alice创建1000DAI的note。Bob也计算出他未来的50ETH的note的哈希值,并将该哈希值在他的交易事务中通过swap字段公开。一旦协调器在交易池中匹配了成对事务集,就会将该对事务打包到一个新区块中。如果一个区块中纳入了不成对的事务,协调器会被惩罚。

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Zkopru功能实现:即时取款功能

Zkopru中,取款人可以请求即时取款,取款人可以为每个取款note设置一定的取款费用,然后,任何人都可以提前支付这笔尚未最终完成的取款并获得该取款费用。

具体而言,为请求即时取款,所有者需要为她的note生成一个ECDSA签名并进行广播。任何有足够资产支付的人都可以使用该签名提前支付这笔取款。一旦Zkopru成功打包了该交易,智能合约会将该取款note的所有权转移给预付款人。最后,预付款人可以在区块完成最终确定后取款。

通过该功能,Zkopru团队认为,可以为即时取款建立一个去中心化的公开市场。

Zkopru方案的Merkle树结构

Zkopru的当前版本中,UTXO树和withdrawal树的最长深度将为31,Zkopru团队表示下个版本中最长深度将变为64,并且只有一个UTXO树和一个withdrawal树。

Zkopru方案由UTXO树,nullifier树和withdrawal树所组成。

UTXO树会追加包含UTXOs的Merkle树,用户可以通过提交Merkle证明将UTXOs用作事务的输入,并将事务的输出结果追加至最新的UTXO树中。

同样,如果zk事务创建了withdrawal输出,Zkopru会将其追加到最新的withdrawaltree树中。一旦树根被标记为终结,所有者就可以来提取资产。

最后,通过commitment-nullifier隐私交易方案,已使用过的UTXO的nullifier会在nullifier树中被标记为「已使用」。

用过的UTXO的清零器被标记为在nullifier树中使用,nullifier树是唯一的稀疏Merkle树。如果有事务试图使用一个已被使用的nullifier,该事务会自动失效,并且区块提议者会被质询系统惩罚。

Zkopru方案中Merkle树的详细规格。

UTXO树

单个UTXO树是用于成员证明的稀疏Merkle树,它使用Poseidon哈希生成zkSNARK证明来隐藏花费哈希及其路径。

为了更新UTXO树,协调器需执行以下步骤。

1、准备好数组。2、协调器选择需要并入的MassDeposits,并将MassDeposits中每笔存款都追加到数组中。3、Layer2事务生成新的UTXOs,将新生成的UTXOs追加到数组中。4、将准备好的数组拆分成大小为32的块。5、构造子树并执行子树汇总。

假设UTXO树完被全填满了,系统会将填满的树归档并开始一个新树,已存档的树也可以作为交易的包含证明被引用。

Zkopru会乐观地更新树根,且只在发现挑战时进行验证。Zkopru会使用Subtreerollup的方法生成链上欺诈证明。Subtreerollup会追加固定大小的subtree,而非逐个追加交易项。与单纯的Rollup相比,SubtreeRollup显著降低了大约20倍的gas成本。

Nullifier树

每个转账、取款和转移事务都通过包含证明来花费UTXOs,并标记在nullifiers树上。所以nullifiers树是一个非常大的稀疏Merkle树,要记录稀疏Merkle树中每个已花费的UTXO。因此,Zkopru使用keccak256作为nullifier树的哈希函数。

为了更新nulleizer树,协调器需执行以下步骤。

1、选择事务,并从事务中收集所有nullifiers项。2、检查是否存在任何已经使用的nullifiers项。3、将每个nullifier项标记为已使用。更新过程中,如果有nullifier不更改nullizer树根,立刻丢弃该事务,因为它尝试进行双花。

就像UTXO树一样,Zkopru会乐观地更新nullifier树的根。若有任何问题,可以通过在链上生成欺诈证明来证明一个nullifier使用了不止一次。

Withdrawal树

Withdrawal树和UTXO树的唯一区别是,提取树使用keccak256作为哈希函数。原因是Zkopru在智能合约中需要withdrawal树的Merkle证明,但在SNARK环路中又需要UTXO树的Merkle证明。

要更新Withdrawal树,协调器需执行以下步骤。

1、收集所选交易的每个取款项。2、将所搜集的取款数组拆分成大小为32的块。3、构造子树并执行子树汇总(Subtreerollup)。

Zkopru方案实现:Zkopru中的区块结构

区块头

前372个字节的数据是区块头,区块头包含以下数据:

区块主体

区块主体包括交易、批量存款和批量转移。此外,区块头应该包含来自区块主体的正确信息。如果区块头没有包含正确的值,提案人会被质询系统所惩罚。

交易

批量存款

批量转移

Account

Zkopru计划创建一种新的公钥结构。

每个Zkopru帐户将同时管理Layer1和Layer2的密钥对。

首先,该帐户会有一个随机生成私钥的以太坊帐户,用于与Layer1交互。其次,Zkopru钱包会根据该以太坊账户的私钥创建一个Babyjubjub私钥和公钥集,用于Layer2的EdDSA签名和加密memo字段。

UTXO

Zkopru还将提出一种新的UTXO标准。

然后Zkopru再用Poseidon哈希计算叶节点哈希。

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