去中心化的Prover如何实现？Opside 创新性提出 ZKP的两步提交算法

By 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200K，500K，300K。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。