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Opside 的ZK-PoW 是什么?可「挖矿」卖零知识证明给L2、AI

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TL;DR

Opside 提出的ZK-PoW 演算法,具有以下优势:

  • 一个市场化的ZK 算力定价机制,不但可以用于扩容(ZK-Rollup),在未来也可以应用于AI(ZKML)
  • 为即将到来的ZK-Rollup(尤其是zkEVM)的大规模爆发提供了海量算力平台;同时也为大量闲置的矿工提供了新的挖矿场景
  • ZKP 的两步提交演算法,为ZK-Rollup 提供了标准的去中心化Prover 机制
  • 优化的ZKP 计算与提交机制,将生成ZKP 的效率提高了80%

为什么我们需要ZK 算力的PoW 演算法?

当前,以太坊主网上已经有多个ZK-Rollups 在运行了,包括Polygon zkEVM 以及zkSync era。然而实际上目前绝大部分的ZK-Rollup 专案都没有实现去中心化的prover。例如Polygon zkEVM 的beta mainnet 中依靠trusted aggregator 来提交ZKP,zkSync era 也是类似。

当ZK-Rollup 数量不多的时候,中心化的prover 是可行的。但是随着ZK 扩容技术的成熟,特别是未来一到两年时间内zkEVM 技术的逐渐落地,ZK-Rollup 数量将迎来非常可观的增长。在海量ZK-Rollup 的情况下,中心化的prover 也会引发很多问题:

首先,prover 成本高昂,且需要专业的装置与机房,不是每一个ZK-Rollup 的运营者都具有维护一个中心化的prover 丛集的能力。因此我们需要专业的矿工来承担未来海量的ZK-Rollup 的算力需求

其次,如果只有一个prover,那么单节点当机就会造成整个ZK-Rollup 的交易无法被确认。我们需要一个去中心化Prover 机制来鼓励多个矿工同时参与一个ZKP 的计算,并获得对应的奖励。

最后,我们需要一个标准化的ZKP 优化演算法,来提升整体的硬体效率。

Opside 的ZK-PoW 演算法

作为一条高度去中心化的公链,Ethereum 已经拥挤不堪,gas fee 极其昂贵。很多Web3 应用,尤其是金融衍生品、Game、社交网路等,需要往layer 2 或者其他公链迁移。其实,单纯提供高效能和低gas 的执行环境并不难,一些中心化的方案可以很容易做到这一点。难的是如何在保证高效能和低gas 同时,保持高度的去中心化程度。

在Opside 的设计中,每一个Web3 应用都可以拥有一个专属的ZK-Rollup,并且可以自由选择base chain。目前,Opside 支援4 条base chain,分别是Ethereum、Opside、BNB chain、Polygon。也就是说,开发者可以选择在这4 条公链上面部署自己的ZK-Rollup。为了支撑数量众多的ZK-Rollups 带来的海量硬体资源的需求,Opside 还提供了一个统一的ZKP 算力市场,鼓励Miner 来为这些ZK-Rollups 生成ZKP。

PoW 的奖励分配机制

Opside 采用了PoS 和PoW 混合共识。其中PoS 部分是基于ETH2.0 的共识改进的。因此,Opside 将拥有超过10w 多个validator 来提供海量的资料可用性,同时具有高度的去中心化程度。

在Pre-Alpha 测试网阶段,根据PoW 演算法,一个Opside 区块内,每个Rollup 会按照一定规则提交一个sequence。所有sequence 根据当前Rollup slots 注册数量来以及包含的batch 数量来划分当前区块的PoW 奖励。当然,可能某些rollup 在某些区块没有提交sequence,因此PoW 实际的通膨会低于预期。

Miner 可以自由选择参与其中一个或者多个Rollup 的ZKP 计算。在未来,各个sequence 将根据对应的ZK-Rollup 型别、所包含的Rollup 交易数量、gas 使用量等进行工作量预估,从而对不同sequence 进行不同的定价。

为了避免Miner 相关的恶意行为,Miner 需要在一个特殊的系统合约中注册,并质押代币。Miner 需要在系统合约中为一个Rollup 质押相应的token,才可以为该Rollup 提交ZKP。Miner 提交ZKP 获得的奖励也将依据质押量比例来分配,从而避免Miner 多次提交ZKP 的恶意行为。

ZKP 的两步提交演算法:标准的去中心化Prover 机制

为了鼓励多个矿工同时参与一个ZKP 的计算任务,Opside 提出了一个两步提交的ZKP 验证机制。一个ZKP 对应的PoW 奖励份额,会按照一定规则分配给有效ZKP 的提交者,也就是矿工。

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提交proofhash:在一个时间视窗内,对于某个sequence,允许多个矿工参与zero-knowledge proof 的计算。各个矿工计算出proof 之后,并不直接提交原始的proof,而是计算(proof /address)的proofhash,并向合约提交proofhash。

提交ZKP:在时间视窗后,矿工提交原始的proof,并与之前提交的proofhash 进行验证。验证通过的矿工都可以得到PoW 奖励,奖励金额按照矿工质押量的比例来分配。

优化的ZKP 生成演算法:矿工效率提高了80%

Rollup 的智能合约验证ZKP 的时候,如果提交的是原始proof 资料,就有可能引发链上攻击行为。为了防止恶意攻击行为,ZK-Rollup 往往需要进行额外的工作量来隐藏原始的proof 资料。有一种解决方案是,矿工提交的ZKP 包含了对矿工地址的聚合结果。Opside 提出的ZKP 的两步提交演算法,则巧妙地采用了先提交+ 后验证的模式,不再需要对proof 和地址做类似的不必要的聚合计算。

此外,在一些开源的zkEVM 中,ZKP 的计算与提交都是序列的。当ZK-Rollup 提交了大量的sequence 时,矿工无法同时计算多个ZKP。在Opside 中,ZKP 的两步提交演算法实现了ZKP 的平行计算与序列提交,允许矿机同时执行多个ZKP 生成任务,从而大大加速了ZKP 的生成效率。

Opside 团队还对ZKP 递回聚合演算法进行了一系列的优化,充分提升了丛集内机器资源的利用率,进一步提高了ZKP 的计算速度。

在实际的压测环境中,矿工拥有20 台128 core CPU + 1TB RAM 组成的机器丛集,测试交易稳定在27.8TPS 约40 分钟。在相同条件下,Opside 将交易的平均确认时间从约5-6 分钟降低到了约3 分钟,ZKP 生成效率提高了约80%。在未来,随着更多ZK-Rollup 以及矿工的加入,ZK 算力市场的需求端和供给端的规模将进一步扩大,Opside 的PoW 演算法带来的效率提升将体现得更加明显。

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