以PopCraft為例，闡釋零知識證明在全鏈遊戲中所扮演的角色

撰文：Yooma

圖片來源：https://unsplash.com/photos/people-inside-library-1mwPOXb_pB8

遇到的問題

PopCraft 是一款全鏈上的消除遊戲，每局遊戲時長4 分鐘，玩家在規定時間內消除棋盤上所有元素，會獲得代幣獎勵。

由於全鏈上的特性，玩家在遊戲過程中的每次操作都需要跟區塊鏈互動。以太坊二層的區塊時間通常為2 秒，導致玩家在遊戲中每次操作需要至少等待2 秒才能完成，這遠遠超過同類Web2 遊戲中的等待時間，從而使PopCraft 遊戲體驗欠佳。

 PopCraft 遊戲主介面

設想的方案

我們設想在PopCraft中運用零知識證明技術（以下簡稱ZKP），減少玩家在遊戲過程中與區塊鏈的互動次數。

預期的方式是：遊戲過程不上鍊，但有機制可以確保無作弊風險。玩家在遊戲中每一步操作都會生成ZKP，後一步操作的ZKP基於前一步的ZKP 來生成，從而形成一種類似區塊鏈結構的自包含ZKP，遊戲結束時將最後一步操作的ZKP 發送到鏈上，交由智能合約驗證其結果。

方案調查與推導

1. 遊戲過程與結果的防作弊：僅對遊戲結果產生ZKP 是不夠的，因為遊戲的過程同樣存在作弊可能。因此，既要對遊戲結果產生ZKP，也要對遊戲過程進行驗證。

2. 逐步產生ZKP 的技術挑戰：為了防作弊，需要對玩家在遊戲中的每個動作都產生ZKP，在遊戲結束時將最後一個ZKP 上鍊進行驗證。這個過程中，每一步的ZKP 都會依賴前一步的ZKP，直到遊戲結束為止。

但困難是：

1> 新的ZKP 產生需要依賴前一步的ZKP，這使得驗證過程複雜且不確定能否實現。此外， ZKP 驗證透過智慧合約（鏈上）來做，後一步產生ZKP 時該如何去驗證前一步的ZKP 是正確的。

2> 在透過智能合約驗證每一步的ZKP 是否正確時，如何確保每個ZKP 與前一個ZKP 的連貫性，該問題不確定是否有方案可以解決。

3. 公開遊戲資料的問題：PopCraft 的遊戲資料是公開的，因此透過ZKP 做資訊隱藏沒必要。如果上述驗證步驟都可實現的話，下一步需要考慮在合約端保存遊戲資料。然而問題在於ZKP 的性質無法解出具體的遊戲數據，此時也不可直接相信客戶端傳給智能合約的遊戲結果數據，這意味著智能合約無法直接儲存這些數據。

4.PopCraft 中消耗遊戲道具（消耗Token）的問題：當遊戲過程涉及到透過遊戲道具完成孤立元素的消除時，本質上對應的是Token 消耗，需要將用戶錢包中對應的Token 轉移，如何處理這一步ZKP 產生和驗證也是一個問題。

1> 一個可能的解決方案是：這一步驟繼續按照先前的流程產生ZKP，驗證消耗的Token 數量並最終發送給智能合約。然而，由於智能合約無法透過ZKP 得到具體遊戲數據，因此無法判斷應該轉移的Token 數量。

此外，假設玩家擁有3 個Token A，卻嘗試在遊戲中消耗4 個Token A，這種錯誤會在遊戲結束時才被發現，而不是在用戶操作實時被發現。

2> 另一個可能的解法是：在使用Token 完成孤立元素的消除時，直接與智能合約互動完成消除，然後更新玩家的Token 餘額。產生的ZKP 只負責保存此時遊戲操作和狀態的證明。

那麼此時在轉移Token 成功之後，還需要像前面操作一樣繼續生成ZKP，如果不生成，那麼在轉移Token 操作的上一步生成的ZKP 與下一次生成的ZKP 中間，多了一次與智能合約交互的步驟，那麼ZKP 中的遊戲狀態就會衝突，這樣遊戲結束時產生的ZKP 是否有效也是一個懸而未決的問題。

5. ZKP 的資料隱藏問題：對於PopCraft 這種不需要隱藏遊戲資料的場景來說，透過ZKP 做資料隱藏是多餘的，且增加了遊戲資料取得的難度以及工程實現方案的不確定性。 PopCraft 只需確保遊戲流程和結果不會有作弊風險即可，並不需要隱藏遊戲流程資料。

結論

在PopCraft 這樣的遊戲中，遊戲資料不需要隱藏，因此透過ZKP 做資訊隱藏沒有必要。為了透過縮短反應時間來提升遊戲體驗，可以考慮遊戲過程不上鍊，僅將最終結果上鍊。關鍵在於找到一種方法，可以確保從玩遊戲的第一步到最後一步都沒有作弊可能，最後將正確的結果上鍊驗證即可。

如果透過ZKP 進行資訊隱藏，反倒是增加了工程實現難度。其次是如何確保遊戲過程沒有作弊風險，使用ZKP 能確保單一遊戲操作無作弊風險，但為了減少跟區塊鏈的互動次數，又不能產生一次ZKP 就提交一次。所以從遊戲開始的第一步操作到遊戲結束整個過程，又該如何保證無作弊風險，目前看來ZKP 無法解決這個問題。

從我們的研究來看，遊戲領域ZKP 適合做兩類事情：

非完全資訊遊戲遊戲的資訊隱藏，例如：黑暗森林、德州撲克、狼人殺、爐石戰記等。

遊戲過程為單步驟的遊戲結果證明，例如：彩票、猜數字、石頭剪刀布、骰子遊戲等。

由於我們在零知識證明技術上的儲備有限，本文內容可能存在事實性錯誤或不合理的工程設想，懇請具備豐富經驗的零知識證明領域專家批評指正。