如何使用ZK-SNARK來(lái)驗(yàn)證區(qū)塊的有效性

目前的二層擴(kuò)容的方法--基本是Plasma和狀態(tài)通道。正從理論走向?qū)嵺`，但與此同時(shí)，將這些技術(shù)視為以太坊成熟的擴(kuò)容解決方案時(shí)所面臨的內(nèi)在挑戰(zhàn)也顯而易見(jiàn)了?？梢哉f(shuō)以太坊之所以成功，很大程度上是因?yàn)樗哂杏押玫拈_(kāi)發(fā)體驗(yàn)：開(kāi)發(fā)者編寫一個(gè)程序，發(fā)布該程序之后，任何人都可以與它進(jìn)行交互。另一方面還依賴了狀態(tài)通道的設(shè)計(jì)或Plasma應(yīng)用程序依賴于許多關(guān)于激勵(lì)和特定于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。狀態(tài)通道在特定的用例中表現(xiàn)得非常好，比如同一個(gè)雙方之間的重復(fù)付款和兩個(gè)玩家之間的游戲（在celer中成功實(shí)現(xiàn)）之間的交互，但是要有更廣泛的使用還是具有一定的挑戰(zhàn)性。特別是Plasma Cash可以很好地進(jìn)行交易支付，但是要普遍化使用也帶來(lái)了不少的挑戰(zhàn)：即使實(shí)施去中心化交易所也需要客戶存儲(chǔ)更多的歷史數(shù)據(jù)，并且在Plasma上推廣以太坊式智能合約似乎非常困難。

但與此同時(shí)，一個(gè)被遺忘的“半二層（semi-layer-2）”協(xié)議類別又重新出現(xiàn)了，該協(xié)議在擴(kuò)展方面對(duì)用戶來(lái)說(shuō)不會(huì)有太大的收益，但是該協(xié)議更容易普及和更加安全模型。2014年，一篇被遺忘已久的博客文章提出了“影子鏈（shadow chains）”的概念，即區(qū)塊數(shù)據(jù)在鏈上發(fā)布，但區(qū)塊在默認(rèn)情況下不會(huì)被驗(yàn)證的架構(gòu)。相反區(qū)塊是暫時(shí)接受的，只有在一段時(shí)間（如2周）后才能最終確定。在這兩周內(nèi)，一個(gè)暫時(shí)接受的區(qū)塊可以被質(zhì)疑；只有這樣該區(qū)塊才被驗(yàn)證，如果該區(qū)塊被證明是無(wú)效的，那么該區(qū)塊之后的鏈將被回滾，區(qū)塊發(fā)布者的抵押將受到懲罰。智能合約并不需要跟蹤系統(tǒng)的整個(gè)狀態(tài)，它只跟蹤根狀態(tài)，用戶自己可以通過(guò)處理自始至終提交給鏈的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算狀態(tài)。最近的提案ZK Rollup通過(guò)使用ZK-SNARK來(lái)驗(yàn)證區(qū)塊的有效性，從而在沒(méi)有挑戰(zhàn)期的情況下完成了相同的工作。

在鏈上發(fā)布的zk rollup包的解析。數(shù)百個(gè)影響zk rollup系統(tǒng)狀態(tài)（即帳戶余額）的“內(nèi)部事務(wù)”被壓縮到一個(gè)包中，該包中包含每個(gè)指定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的內(nèi)部事務(wù)約10個(gè)字節(jié)，外加一個(gè)約100-300字節(jié)的snark，證明轉(zhuǎn)換都是有效的。

在這兩種情況下，主鏈用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)可用性，但不（直接）驗(yàn)證區(qū)塊有效性或執(zhí)行任何重要計(jì)算，除非提出質(zhì)疑。因此該技術(shù)并沒(méi)有帶來(lái)巨大可擴(kuò)展性的增益，因?yàn)殒溕蠑?shù)據(jù)開(kāi)銷最終會(huì)帶來(lái)瓶頸，但它卻是非常重要的。數(shù)據(jù)比計(jì)算便宜，而且有很多方法可以非常顯著地壓縮事務(wù)數(shù)據(jù)，特別是因?yàn)槭聞?wù)中的大多數(shù)數(shù)據(jù)是簽名，并且許多簽名可以通過(guò)多種形式的聚合壓縮為一個(gè)簽名。ZK Rollup承諾將每筆交易壓縮到僅約10個(gè)字節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)500tx / 秒的速度，比以太坊本身增加30倍。簽名不需要包括在內(nèi)，因?yàn)樗鼈兊挠行杂闪阒R(shí)證明來(lái)驗(yàn)證。使用BLS聚合簽名可以在影子鏈中實(shí)現(xiàn)類似的吞吐量。即將推出的伊斯坦布爾硬分叉將把數(shù)據(jù)的gas成本從每字節(jié)68降低到每字節(jié)16，將這些技術(shù)的吞吐量再提高4倍（即每秒超過(guò)2000個(gè)事務(wù)）。

那么，zk/optimisTIc rollup（樂(lè)觀匯總）之類的數(shù)據(jù)鏈上技術(shù)與plasma之類的數(shù)據(jù)鏈外技術(shù)相比有什么好處呢？首先不需要半信任的操作者。在zk rollup中，由于有效性是通過(guò)加密證明來(lái)驗(yàn)證的，因此包提交程序?qū)嶋H上不可能是惡意的（根據(jù)設(shè)置，惡意提交程序可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)暫停幾秒鐘，但這是可能造成的最大危害）。在（opTImisTIc rollup）樂(lè)觀匯總中，惡意提交者可以發(fā)布惡意區(qū)塊，但下一個(gè)提交者將在發(fā)布自己的區(qū)塊之前立即對(duì)該區(qū)塊提出質(zhì)疑。在zk和（opTImistic rollup）樂(lè)觀匯總中，鏈上發(fā)布的數(shù)據(jù)足夠讓任何人來(lái)計(jì)算完整的內(nèi)部狀態(tài)，只需按順序處理所有提交的增量，并且沒(méi)有“數(shù)據(jù)預(yù)扣攻擊”可以?shī)Z走此屬性。因此成為一名操作者是完全沒(méi)有權(quán)限的，所需要的只要一筆用于反垃圾郵件目的的保證金（如10 ETH）。

其次，樂(lè)觀匯總（optimistic rollup）特別容易推廣；樂(lè)觀匯總（optimistic rollup）系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)可以是在單個(gè)區(qū)塊的gas限內(nèi)計(jì)算得到的任何數(shù)據(jù)（包括提供驗(yàn)證該轉(zhuǎn)移所需的部分狀態(tài)的merkle分支）。zk rollup在理論上是可以用同樣的方式進(jìn)行推廣的，但在實(shí)踐中，要使ZK-SNARKs超越普通計(jì)算（例如EVM執(zhí)行）非常困難。第三，樂(lè)觀匯總（optimistic rollup）更容易為其構(gòu)建客戶端，因?yàn)閷?duì)第二層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的需求較少；只需掃描區(qū)塊鏈就可以完成更多工作。

但這些優(yōu)勢(shì)從何而來(lái)？答案在于一個(gè)技術(shù)性很強(qiáng)的問(wèn)題，即數(shù)據(jù)可用性問(wèn)題?；旧嫌袃煞N方法可以嘗試在第二層系統(tǒng)中作弊。第一是向區(qū)塊鏈發(fā)布無(wú)效數(shù)據(jù)。第二種方法是完全不發(fā)布數(shù)據(jù)（例如在Plasma中將新Plasma區(qū)塊的根哈希發(fā)布到主鏈，但不向任何人透露該區(qū)塊的內(nèi)容）。已發(fā)布但無(wú)效的數(shù)據(jù)很容易處理，因?yàn)橐坏?shù)據(jù)在鏈上發(fā)布，就有多種方法可以明確地判斷它是否有效，而無(wú)效的提交則明確地?zé)o效，因此提交者可能會(huì)受到重罰。另一方面，不可用的數(shù)據(jù)更難處理，因?yàn)榧词乖谑艿劫|(zhì)疑時(shí)可以檢測(cè)到不可用性，但也無(wú)法可靠地確定是誰(shuí)的發(fā)布的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，尤其是如果默認(rèn)情況下保留數(shù)據(jù)，并且只有在某些驗(yàn)證機(jī)制試圖驗(yàn)證其可用性時(shí)才按需顯示數(shù)據(jù)。這在“漁夫困境”中得到了說(shuō)明，它顯示了挑戰(zhàn)響應(yīng)游戲如何無(wú)法區(qū)分惡意提交者和惡意挑戰(zhàn)者：

漁夫的困境。如果您僅在時(shí)間T3開(kāi)始查看特定的數(shù)據(jù)，你就會(huì)在案例1或案例2中混淆，因此也不知道誰(shuí)是惡意用戶。

Plasma和通道都通過(guò)將問(wèn)題推給用戶來(lái)解決漁民的困境：如果您作為用戶決定與您交互的另一個(gè)用戶（通道中的交易對(duì)手、Plasma鏈中的操作員）沒(méi)有向您發(fā)布他們應(yīng)該發(fā)布的數(shù)據(jù)，則您有責(zé)任選擇退出并移至其他交易對(duì)手/操作員。作為用戶您擁有以前的所有數(shù)據(jù)以及您簽署的所有交易有關(guān)的數(shù)據(jù)，這一事實(shí)使您可以向鏈中證明您在第2層協(xié)議中擁有哪些資產(chǎn)，從而安全地將其從交易中退出系統(tǒng)。你證明了一個(gè)（先前同意的）操作的存在，將資產(chǎn)交付給你，沒(méi)有其他人能夠證明你已把資產(chǎn)發(fā)送給別人的操作，所以你可以撤回屬于你的資產(chǎn)。

該技術(shù)非常優(yōu)雅。然而它依賴于一個(gè)關(guān)鍵的假設(shè)：每個(gè)狀態(tài)對(duì)象都有一個(gè)邏輯“所有者”，未經(jīng)所有者同意，對(duì)象的狀態(tài)不能更改。這對(duì)于基于utxo的支付（但不是基于賬戶的支付，你可以在未經(jīng)他人同意的情況下向上修改他人的余額；），甚至可以讓它為分布式交易所工作，但這種“所有權(quán)”屬性遠(yuǎn)非普遍性。有些應(yīng)用程序（如Uniswap）沒(méi)有自然所有者，甚至在那些有所有者的應(yīng)用程序中，通常有多個(gè)用戶可以合法地對(duì)對(duì)象進(jìn)行編輯。沒(méi)有辦法允許任意第三方退出資產(chǎn)而不引入拒絕服務(wù)（DoS）攻擊的可能性，恰恰是因?yàn)闊o(wú)法證明發(fā)行人或提交人是否有過(guò)錯(cuò)。

Plasma和通道還存在其他特殊問(wèn)題。通道不允許非該通道的用戶進(jìn)行脫鏈交易（參數(shù)：假設(shè)存在一種在通道內(nèi)部可以向任意新用戶發(fā)送1美元的方式，那么該技術(shù)可以與向系統(tǒng)中資金不足的用戶發(fā)送1美金，已經(jīng)違反了其安全保證）Plasma要求用戶存儲(chǔ)大量的歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)不同的資產(chǎn)可以交織在一起時(shí)，歷史數(shù)據(jù)就會(huì)變得更大。

因?yàn)殒溕嫌?jì)算鏈下二層技術(shù)不存在數(shù)據(jù)可用性問(wèn)題，所以它們沒(méi)有這些弱點(diǎn)。zk和optimistic rollup非常小心地將足夠多的數(shù)據(jù)放在鏈上，以允許用戶計(jì)算第二層系統(tǒng)的完整狀態(tài)，確保如果任何參與者消失，一個(gè)新的參與者可以輕松地代替他們。他們唯一的問(wèn)題是驗(yàn)證計(jì)算而不在鏈上進(jìn)行計(jì)算，這是一個(gè)容易得多的問(wèn)題。ZK rollup中每個(gè)事務(wù)約10個(gè)字節(jié)，通過(guò)使用BLS聚合來(lái)聚集簽名，在樂(lè)觀匯總（optimistic rollup）中可以實(shí)現(xiàn)類似級(jí)別的可擴(kuò)展性。從理論上講，伊斯坦布爾之后的2000多個(gè)交易每秒最多可以進(jìn)行約500筆交易。

但是如果您想要更大的可擴(kuò)展性怎么辦？然后鏈上數(shù)據(jù)第二層協(xié)議和鏈外數(shù)據(jù)第而層協(xié)議之間有很大的中間地帶，許多混合方法為您提供了這兩種協(xié)議的一些好處。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子你可以通過(guò)發(fā)布鏈上哪些訂單與哪些訂單相匹配（每個(gè)訂單少于4個(gè)字節(jié)）的映射來(lái)防止在Plasma Cash上實(shí)現(xiàn)的去中心化交易所中的歷史存儲(chǔ)爆炸：

左：如果Plasma cash用戶擁有1枚代幣，則需要存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。中：Plasma cash用戶需要存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，如果他們擁有1枚代幣，該代幣已通過(guò)原子交換與另一枚代幣交換。右：如果訂單匹配在鏈上發(fā)布，Plasma cash用戶需要存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

即使在去中心化交易所環(huán)境之外，也可以通過(guò)使Plasma鏈定期在鏈上發(fā)布某些按用戶數(shù)據(jù)來(lái)減少用戶需要在Plasma中存儲(chǔ)的歷史記錄量。還可以想象一個(gè)平臺(tái)，在某些狀態(tài)確實(shí)具有邏輯“所有者”的情況下，其工作方式與Plasma類似，而在沒(méi)有狀態(tài)的情況下，其工作方式與ZK或樂(lè)觀匯總（optimistic rollup）類似。Plasma開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)開(kāi)始著手進(jìn)行此類優(yōu)化。

因此第二層可擴(kuò)展性解決方案的開(kāi)發(fā)人員有一個(gè)很好的理由，至少在某些時(shí)候更愿意在鏈上發(fā)布每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)：它大大提高了開(kāi)發(fā)的易用性、通用性和安全性，并減少了每個(gè)用戶的負(fù)載（例如不需要用戶存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)）。這樣做的效率損失也被夸大了：即使在完全的外鏈二層架構(gòu)中，用戶可以在不同的用戶之間的存放、撤回和轉(zhuǎn)移將是不可避免的且頻繁發(fā)生的，因此無(wú)論在哪種情況下都會(huì)有大量的每個(gè)用戶的鏈數(shù)據(jù)?；旌下酚蔀樵跍?zhǔn)二層架構(gòu)中相對(duì)快速地部署完全通用的以太坊式智能合約打開(kāi)了大門。
來(lái)源： 區(qū)塊鏈研究實(shí)驗(yàn)室?