BitVM背景知識(shí)：欺詐證明與ZK Fraud Proof的實(shí)現(xiàn)思路
作者：Shew&Noah，仙壤GodRealmX
眾所周知，欺詐證明是一種在Blockchain領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的技術(shù)方案，其最早發(fā)源于Ethereum社區(qū)，并被Arbitrum和Optimism等知名EthereumLayer2所采用。2023年Bitcoin生態(tài)興起后，RobinLinus提出了名為BitVM的方案，以欺詐證明為核心思想，在Taproot等Bitcoin既有技術(shù)的基礎(chǔ)上，為Bitcoin二層或橋提供了新的安全模型。
BitVM曾先后推出過(guò)多個(gè)理論版本，從最早的以邏輯門(mén)電路為基元的BitVM0，到后來(lái)以ZKFraudProof和Groth16驗(yàn)證電路為核心的BitVM2，與BitVM相關(guān)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑在不斷的演化并趨于成熟，吸引了許多從業(yè)人員的關(guān)注。大家所聽(tīng)聞的Bitlayer、Citrea、BOB、Fiamma和Goat Network等項(xiàng)目均以BitVM為技術(shù)根基之一，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同版本的實(shí)現(xiàn)。
鑒于市面上系統(tǒng)解釋BitVM的資料比較稀少且晦澀難懂，我們推出了以BitVM知識(shí)科普為目的的系列文章。考慮到BitVM與欺詐證明之間根深蒂固的關(guān)系，本篇文章將以欺詐證明和ZKFraudProof為主要話題，以盡可能易懂的語(yǔ)言為大家展開(kāi)解讀。
我們將以O(shè)ptimism的欺詐證明方案為素材，為大家解析其基于MIPS虛擬機(jī)和交互式欺詐證明的方案，以及ZK化欺詐證明的主要思路。
如果定序器把錯(cuò)誤的狀態(tài)集hash上傳到了Ethereum上，那么你在本地算出的狀態(tài)集hash會(huì)與之不同，此時(shí)你可以通過(guò)欺詐證明系統(tǒng)發(fā)起質(zhì)疑，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)判決結(jié)果對(duì)定序器采取限制或懲罰亦或不處罰。
提到“狀態(tài)集”一詞，EVM系Blockchain常用到MerkleTree式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)記錄狀態(tài)集，名為WorldStateTrie。一筆交易被執(zhí)行后，某些賬戶的狀態(tài)會(huì)變化，WorldStateTrie便會(huì)發(fā)生變化，其最終hash也會(huì)變更。Ethereum將WorldStateTrie的最終hash稱(chēng)為StateRoot，用其表現(xiàn)狀態(tài)集的變化。
下圖展示了EthereumstateRoot的構(gòu)成，我們可以看到Ethereum內(nèi)不同賬戶的余額，智能合約賬戶關(guān)聯(lián)的代碼hash等數(shù)據(jù)都會(huì)被匯總到WorldStateTrie中，并依此計(jì)算出stateRoot。
MIPS虛擬機(jī)與內(nèi)存MerkleTree
前面我們提到，假設(shè)我發(fā)現(xiàn)OP定序器提交的OutputRoot有問(wèn)題，就可以發(fā)起“挑戰(zhàn)”，挑戰(zhàn)流程需要在鏈上完成一系列交互動(dòng)作，交互完成后，相關(guān)智能合約會(huì)斷定OP定序器是否上傳了錯(cuò)誤的OutputRoot。
如果要在鏈上用智能合約驗(yàn)證OutputRoot的正確性，最簡(jiǎn)單的方法是在Ethereum鏈上實(shí)現(xiàn)出OP節(jié)點(diǎn)客戶端，采用與OP定序器相同的輸入?yún)?shù)，執(zhí)行相同的程序，查驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否一致。這個(gè)方案被稱(chēng)為FaultProofProgram，其在鏈下很容易實(shí)現(xiàn)，但想要在Ethereum鏈上運(yùn)行卻十分困難。因?yàn)榇嬖趦蓚(gè)問(wèn)題：
1. Ethereum上的智能合約無(wú)法自動(dòng)獲得欺詐證明需要的輸入?yún)?shù)；
2. Ethereum每個(gè)區(qū)塊的GasLimit有限，不支持復(fù)雜度過(guò)高的計(jì)算任務(wù)，我們無(wú)法在鏈上完全實(shí)現(xiàn)OP節(jié)點(diǎn)客戶端
第一個(gè)問(wèn)題等價(jià)于讓鏈上智能合約讀取鏈下數(shù)據(jù)，可以通過(guò)類(lèi)似預(yù)言機(jī)的方案來(lái)解決。OP在Ethereum鏈上專(zhuān)門(mén)部署了PreimageOracle合約，欺詐證明相關(guān)合約可以在PreimageOracle內(nèi)讀取所需的數(shù)據(jù)。
理論上任何人都可以向該合約隨意上傳數(shù)據(jù)，但OP的欺詐證明系統(tǒng)有辦法鑒別數(shù)據(jù)是否為其所需，具體過(guò)程在此不展開(kāi)論述，因?yàn)閷?duì)本文的核心話題而言不重要。
對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，OP開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)用Solidity編寫(xiě)了一個(gè)MIPS虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)了OP節(jié)點(diǎn)客戶端中的部分功能，足夠欺詐證明系統(tǒng)所用。MIPS是一種常見(jiàn)的CPU指令集架構(gòu)，而OP定序器的代碼是用Golang/Rust等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的，我們可以將Golang/Rust寫(xiě)的程序編譯為MIPS程序，然后通過(guò)Ethereum鏈上的MIPS虛擬機(jī)進(jìn)行處理。
OP的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)使用Golang編寫(xiě)了欺詐證明所需的最簡(jiǎn)化程序，與OP節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行交易、生成區(qū)塊及OutputRoot的模塊功能基本一致。不過(guò)這套精簡(jiǎn)化的程序仍無(wú)法“完整執(zhí)行”。
也就是說(shuō)，每個(gè)OP區(qū)塊中包含很多筆交易，這批交易處理完后，會(huì)得到一個(gè)OutputRoot。雖然你知道是哪個(gè)區(qū)塊高度下的OutputRoot有錯(cuò)誤，但你如果要把該區(qū)塊中包含的交易全都放到鏈上去跑，證明對(duì)應(yīng)的OutputRoot有錯(cuò)，是不現(xiàn)實(shí)的。
此外，每筆交易的執(zhí)行流程中，又涉及到一連串MIPS操作碼的有序處理，你不可能把這一串操作碼都放到鏈上合約實(shí)現(xiàn)的MIPS虛擬機(jī)中去跑，因?yàn)樯婕暗挠?jì)算開(kāi)銷(xiāo)和Gas消耗量太大。
Ethereum鏈上與欺詐證明相關(guān)的智能合約，會(huì)通過(guò)以下名為Step的函數(shù)完成最后的MIPS操作碼執(zhí)行流程：
_stateData和_proof輸入這些MIPS虛擬機(jī)的環(huán)境參數(shù)，在鏈上運(yùn)行單條MIPS指令，獲得權(quán)威結(jié)果。如果鏈上得出的權(quán)威結(jié)果與定序器提交的結(jié)果不一致，則說(shuō)明定序器做惡。
step函數(shù)中的_proof字段來(lái)上傳到Ethereum鏈上。這里還要上傳基于內(nèi)存Merkle樹(shù)的默克爾證明，證明你/定序器提供的數(shù)據(jù)的確存在于內(nèi)存Merkle樹(shù)中，而非憑空編造的。
交互式欺詐證明
在上文中，我們已經(jīng)解決了第二個(gè)問(wèn)題，完成了MIPS操作碼的鏈上執(zhí)行與虛擬機(jī)狀態(tài)驗(yàn)證，但挑戰(zhàn)者與定序器該如何定位到那條有爭(zhēng)議的MIPS操作碼指令？
相信很多人在網(wǎng)上多多少少閱讀過(guò)交互式欺詐證明的簡(jiǎn)單解釋?zhuān)瑢?duì)于其二分法的思路有所聽(tīng)聞。OP團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套被稱(chēng)為FaultDisputeGame(FDG)的協(xié)議，在FDG中，包含兩個(gè)角色：挑戰(zhàn)者和防御者。
假如我們發(fā)現(xiàn)定序器提交到鏈上的OutputRoot有問(wèn)題，那么我們就可以作為FDG中的挑戰(zhàn)者，而定序器會(huì)作為防御者。為了便于定位到前文提及的需要鏈上處理的MIPS操作碼，F(xiàn)DG協(xié)議要求參與者都要在本地構(gòu)建一顆Merkle樹(shù)，稱(chēng)為GameTree，其具體結(jié)構(gòu)如下:
1.FDG先定位到需要上鏈執(zhí)行的MIPS操作碼及此時(shí)的VM狀態(tài)信息；
2.在Ethereum鏈上實(shí)現(xiàn)的MIPS虛擬機(jī)里執(zhí)行該操作碼，獲得最終結(jié)果。
ZK化欺詐證明
我們可以看到上述傳統(tǒng)欺詐證明的交互極為復(fù)雜，需要在FDG流程里進(jìn)行多輪交互，然后將單條指令在鏈上重放。但這種方案存在幾個(gè)難點(diǎn)：
1.多輪交互需要在Ethereum鏈上觸發(fā)，差不多需要幾十次交互，會(huì)產(chǎn)生大量gas成本；
2.交互式欺詐證明的過(guò)程較長(zhǎng)，一旦交互啟動(dòng)，Rollup就無(wú)法正常執(zhí)行交易；
3.鏈上實(shí)現(xiàn)特定VM來(lái)重放指令是較為復(fù)雜的，開(kāi)發(fā)難度極高
為了解決這些問(wèn)題，Optimism官方提出了ZKFraudProof的概念。核心在于當(dāng)挑戰(zhàn)者進(jìn)行挑戰(zhàn)時(shí)，指定其認(rèn)為需要在鏈上重放的一筆交易，Rollup定序器給出被挑戰(zhàn)交易的ZK證明，由Ethereum上的智能合約進(jìn)行驗(yàn)證，如驗(yàn)證通過(guò)，則可認(rèn)為該交易的處理流程沒(méi)錯(cuò)誤，Rollup節(jié)點(diǎn)沒(méi)做惡。
ZK化欺詐證明的思路也被BitVM2所采用。采用BitVM2的項(xiàng)目方如Bitlayer和GoatNetwork及ZKM、Fiama等，通過(guò)Bitcoin腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)ZKProof驗(yàn)證程序，并對(duì)需要上鏈的程序尺寸進(jìn)行了極大程度的精簡(jiǎn)化。限于篇幅，本文不展開(kāi)贅述，大家可等待我們之后關(guān)于BitVM2的文章來(lái)深入理解其實(shí)現(xiàn)路徑，敬請(qǐng)期待！