以太坊擴容賽道又出新方案 Zkopru：zk-SNARK 與 Optimistic Rollup 的結合將如何實現隱私擴容？_ROL

通過zk-SNARK與OptimisticRollup技術的結合，Zkopru可實現ETH、ERC20s和ERC721s多種以太坊代幣的快速、廉價和隱私的交易，并實現即時取款和隱私原子互換等功能。

撰文：殷耀平

以太坊Layer2隱私擴容新方案Zkopru問世

7月20日，Ethereum9?創始人WanseobLim在太坊技術論壇ethresear.ch上發布了一份新的以太坊擴容方案「Zkopru」的技術實現說明。

Ethereum9?是一種概念證明系統，使用Mimblewimble以及零知識證明等隱私技術來隱藏以太坊代幣交易。

據WanseobLim介紹，這是一個結合了zk-SNARK和OptimisticRollup來實現隱私交易的Layer2擴容解決方案，該方案支持在二層網絡中以低成本實現ETH，ERC20，ERC721之間的隱私轉移和隱私原子交換，并實現了諸多其他亮點功能。

WanseobLim稱，該方案是由他和化名為「barryWhiteHat」的以太坊開發者共同完成，他們從2019年11月開始構建此方案，目前Zkopru已發布測試網，代碼已在github開源。

「barryWhiteHat」是以太坊社區最活躍的開發者和研究者之一，ZKRollup的擴容方案正是由barryWhiteHat在2018年下半年最先提出。

鏈聞查詢該項目路線圖發現，Zkopru計劃分為Arcticroll、Burrito、Grilledburrito、Californiaroll、Dragonroll五個階段進行迭代，github上的開發進度顯示，目前第一階段的開發工作已完成大部分。

Zkopru方案一經推出，便吸引了眾多以太坊開發者的關注，*以太坊創始人*VitalikButerin第一時間表達了對該項目問世的祝賀，認為是一項「很棒」的工作，并在推特上轉發了該項目的介紹文章。

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下面我們一起了解一下Zkopru擴容方案的主要思路和設計亮點。

什么是Zkopru？

Zkopru的全稱是zk-Optimistic-Rollup，是一個基于zk-SNARK和OptimisticRollup的以太坊二層隱私擴容解決方案。可支持第二層網絡中ETH、ERC20、ERC721各類代幣之間的隱私轉賬和隱私原子交換，并且費用很低。

「Zkopru」方案使用OptimisticRollup來管理區塊，使用zk-SNARK來構建隱私交易。

了解過以太坊Layer2擴容現狀的都知道，目前最當紅的擴容主力便是基于Rollup技術系列擴容方案，最主流的是兩個分支ZKRollup和OptimisticRollup。

簡單理解，「ZKRollup」方案是利用Rollup技術進行交易壓縮，并利用?zk-SNARK技術實現交易打包和驗證，以實現在減少交易成本的同時確保安全性。

「OptimisticRollup」方案吸收了ZKRollup方案對于數據可用性的優勢，但去除了零知識證明部分，而是沿用了Plasma的欺詐證明機制。所以在該方案中，不像ZKRollup方案通過SNARK處理后再將數據聚合到鏈上，而是默認「樂觀」相信節點會將最新且準確的數據發布到鏈上，否則當「驗證者」發現有問題時，節點會受到相應懲罰。

了解更多關于Rollup的知識可以參考鏈聞文章「以太坊擴容最熱門主力方案Rollup學習指南」。

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而最新問世的「Zkopru」方案則是對zk-SNARK和OptimisticRollup的結合，相當于是在OptimisticRollup方案中，又加入了零知識證明的技術部分。

Zkopru擴容方案有何特點？

據WanseobLim介紹，Zkopru方案能將每筆zk交易的gas費控制在可承受范圍，并實現交易性能提升，使得：

以太坊隱私交易平均成本為每筆交易8000gas。理論上最大TPS為105此外，Zkopru中，交易數據消耗大約534字節，由于證明數據有256字節，未來如果使用證明聚合，還可以將交易成本降低50%左右。

此外，Zkopru方案還能實現以下功能。

1）支持ETH、ERC20甚至是ERC721資產。2）支持隱私原子交換，可以與隱私訂單撮合系統一起使用。3）運用SubtreeRollup將默克樹的更新挑戰成本縮減至原來的1/20。4）即時取款功能實現，在區塊最終性達成前，用戶可以即時取款。5）利用批量存儲和批量轉移，可以構建一個內部二層網絡。

Zkopru方案實現：如何證明交易真實性？

我們可以簡單了解一下Zkopru方案是如何利用zk-SNARK技術完成交易驗證的。

Zkopru方案認為，由于每個零知識證明事務都會接受若干個UTXOs作為其輸入，并為其輸出創建新的UTXO。因此，最重要的，就是驗證輸入和輸出，從而完成對交易真實性的驗證。

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首先是輸入驗證

Zkopru使用Commitment-nullifier來實現隱私保護。在該方案中，每個zk事務會使用UTXO，但不會顯示使用了哪個note，雖然會展示從UTXO派生出來的nullifier，但僅僅看到nullifier不可能與原始的UTXO建立起聯系，從而可以實現隱私保護。

鏈聞注：在Zcash的隱私交易方案中。每筆轉賬都會用note來表示，內容包括轉賬的金額和一個隨機數。note有兩個外在的表現形式：一個是Commitment，一個是Nullifier。Commitment代表一次金額轉入，Nullifier代表一次消費。對于每個note，Commitment和Nullifier都是唯一的。因為Commitment和Nullifier是通過不同的Hash函數生成的結果，即使這兩個數據公開，其他人也無法推斷出Commitment和Nullifier之間存在聯系。也就是說，提供一個Commitment，能說明進行了一筆轉賬。能提供對應的Nullifier，就能消費。了解更多請參見鏈聞文章。

要花費UTXOs時，必須滿足以下條件：

UTXO成員證明：交易構建器提交每個UTXO的Merkle證明來證明其存在。為實現有效的SNARK計算，UTXO樹使用Poseidon作為其哈希函數。

所有權證明：只有所有者才能花費UTXO，每個note都會有一個公鑰字段，所有者通過使用配對的私鑰創建EdDSA簽名來證明其所有權。

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截至下午2時，以太坊全網算力約為247.57TH/s，環比下降0.35TH/s，建議Gas費用為58.04Gwei，環比下降8.83%，未確認交易數約9.63萬筆。[2020/10/14]

承諾證明：整個環路需獲取有關UTXOs輸入的詳細信息，從而計算輸入量的總和。因此，所有者應該提供詳細信息，其Poseidon哈希值應該等于Merkle證明和所有權證明的葉節點哈希值。

無效證明：給定的nullifiers應該從UTXOs輸入中正確派生。

其次是輸出驗證

每個zk事務可創建三種類型的輸出：UTXO、取款和轉移。

如果zk事務創建UTXO輸出，Zkopru會追加到UTXO樹中。如果zk事務創建取款輸出，Zkopru會追加到Withdrawal樹中。最后，批量轉移是由區塊中的每個zk事務的轉移輸出所組成。

因此，UTXO的輸出應滿足以下條件：

當輸出是UTXO類型時，輸出的公共哈希值必須與SNARK環路中計算所得值相等。當輸出是取款或轉移類型時，應該顯示詳細信息，因為該輸出需要將正確數量的資產轉移至網絡外部。

零和證明

最后，zk事務應該保證輸入等于輸出，包括費用在內。

Zkopru功能實現：原子交換Atomicswap功能

目前，Zkopru在以一種很簡單的方式支持原子交換。

如果A和B想交換他們的資產，他們會為彼此創建notes，并在交易數據中公開所需的note。然后，協調器應該配對相反的事務，或者被懲罰。

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例如，Alice想用她的50個ETH換Bob的1000個DAI。Alice花費自己的一個60ETH的note，為自己創建10ETH的note，同時為Bob創建50ETH的note。此外Alice計算出自己未來得到的1000DAI的note的哈希值，并將該哈希值在她的交易事務中通過swap字段公開。同樣，Bob花費自己的一個3000DAI的note，為自己創建2000DAI的note，為Alice創建1000DAI的note。Bob也計算出他未來的50ETH的note的哈希值，并將該哈希值在他的交易事務中通過swap字段公開。一旦協調器在交易池中匹配了成對事務集，就會將該對事務打包到一個新區塊中。如果一個區塊中納入了不成對的事務，協調器會被懲罰。

Zkopru功能實現：即時取款功能

Zkopru中，取款人可以請求即時取款，取款人可以為每個取款note設置一定的取款費用，然后，任何人都可以提前支付這筆尚未最終完成的取款并獲得該取款費用。

具體而言，為請求即時取款，所有者需要為她的note生成一個ECDSA簽名并進行廣播。任何有足夠資產支付的人都可以使用該簽名提前支付這筆取款。一旦Zkopru成功打包了該交易，智能合約會將該取款note的所有權轉移給預付款人。最后，預付款人可以在區塊完成最終確定后取款。

通過該功能，Zkopru團隊認為，可以為即時取款建立一個去中心化的公開市場。

Zkopru方案的Merkle樹結構

Zkopru的當前版本中，UTXO樹和withdrawal樹的最長深度將為31，Zkopru團隊表示下個版本中最長深度將變為64，并且只有一個UTXO樹和一個withdrawal樹。

Zkopru方案由UTXO樹，nullifier樹和withdrawal樹所組成。

UTXO樹會追加包含UTXOs的Merkle樹，用戶可以通過提交Merkle證明將UTXOs用作事務的輸入，并將事務的輸出結果追加至最新的UTXO樹中。

同樣，如果zk事務創建了withdrawal輸出，Zkopru會將其追加到最新的withdrawaltree樹中。一旦樹根被標記為終結，所有者就可以來提取資產。

最后，通過commitment-nullifier隱私交易方案，已使用過的UTXO的nullifier會在nullifier樹中被標記為「已使用」。

用過的UTXO的清零器被標記為在nullifier樹中使用，nullifier樹是唯一的稀疏Merkle樹。如果有事務試圖使用一個已被使用的nullifier，該事務會自動失效，并且區塊提議者會被質詢系統懲罰。

Zkopru方案中Merkle樹的詳細規格。

UTXO樹

單個UTXO樹是用于成員證明的稀疏Merkle樹，它使用Poseidon哈希生成zkSNARK證明來隱藏花費哈希及其路徑。

為了更新UTXO樹，協調器需執行以下步驟。

1、準備好數組。2、協調器選擇需要并入的MassDeposits，并將MassDeposits中每筆存款都追加到數組中。3、Layer2事務生成新的UTXOs，將新生成的UTXOs追加到數組中。4、將準備好的數組拆分成大小為32的塊。5、構造子樹并執行子樹匯總。

假設UTXO樹完被全填滿了，系統會將填滿的樹歸檔并開始一個新樹，已存檔的樹也可以作為交易的包含證明被引用。

Zkopru會樂觀地更新樹根，且只在發現挑戰時進行驗證。Zkopru會使用Subtreerollup的方法生成鏈上欺詐證明。Subtreerollup會追加固定大小的subtree，而非逐個追加交易項。與單純的Rollup相比，SubtreeRollup顯著降低了大約20倍的gas成本。

Nullifier樹

每個轉賬、取款和轉移事務都通過包含證明來花費UTXOs，并標記在nullifiers樹上。所以nullifiers樹是一個非常大的稀疏Merkle樹，要記錄稀疏Merkle樹中每個已花費的UTXO。因此，Zkopru使用keccak256作為nullifier樹的哈希函數。

為了更新nulleizer樹，協調器需執行以下步驟。

1、選擇事務，并從事務中收集所有nullifiers項。2、檢查是否存在任何已經使用的nullifiers項。3、將每個nullifier項標記為已使用。更新過程中，如果有nullifier不更改nullizer樹根，立刻丟棄該事務，因為它嘗試進行雙花。

就像UTXO樹一樣，Zkopru會樂觀地更新nullifier樹的根。若有任何問題，可以通過在鏈上生成欺詐證明來證明一個nullifier使用了不止一次。

Withdrawal樹

Withdrawal樹和UTXO樹的唯一區別是，提取樹使用keccak256作為哈希函數。原因是Zkopru在智能合約中需要withdrawal樹的Merkle證明，但在SNARK環路中又需要UTXO樹的Merkle證明。

要更新Withdrawal樹，協調器需執行以下步驟。

1、收集所選交易的每個取款項。2、將所搜集的取款數組拆分成大小為32的塊。3、構造子樹并執行子樹匯總(Subtreerollup)。

Zkopru方案實現：Zkopru中的區塊結構

區塊頭

前372個字節的數據是區塊頭，區塊頭包含以下數據：

區塊主體

區塊主體包括交易、批量存款和批量轉移。此外，區塊頭應該包含來自區塊主體的正確信息。如果區塊頭沒有包含正確的值，提案人會被質詢系統所懲罰。

交易

批量存款

批量轉移

Account

Zkopru計劃創建一種新的公鑰結構。

每個Zkopru帳戶將同時管理Layer1和Layer2的密鑰對。

首先，該帳戶會有一個隨機生成私鑰的以太坊帳戶，用于與Layer1交互。其次，Zkopru錢包會根據該以太坊賬戶的私鑰創建一個Babyjubjub私鑰和公鑰集，用于Layer2的EdDSA簽名和加密memo字段。

UTXO

Zkopru還將提出一種新的UTXO標準。

然后Zkopru再用Poseidon哈希計算葉節點哈希。

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