欺詐證明與ZK Fraud Proof的實現思路

欺詐證明是區塊鏈領域廣泛應用的技術方案,最早源於以太坊社區,被Arbitrum和Optimism等Layer2採用。2023年比特幣生態興起後,Robin Linus提出BitVM方案,以欺詐證明爲核心思想,爲比特幣二層或橋提供了新的安全模型。

BitVM經歷了多個版本演化,從早期以邏輯門電路爲基元的BitVM0,到後來以ZK Fraud Proof和Groth16驗證電路爲核心的BitVM2,技術路徑不斷成熟。多個項目如Bitlayer、Citrea、BOB等均以BitVM爲技術基礎進行實現。

本文將以Optimism的欺詐證明方案爲例,解析其基於MIPS虛擬機和交互式欺詐證明的方案,以及ZK化欺詐證明的主要思路。

OutputRoot和StateRoot

Optimism是知名的Optimistic Rollup項目,其架構由定序器和以太坊鏈上智能合約組成。定序器處理交易後,會將數據發送到以太坊。任何人都可以運行Optimism節點客戶端,下載數據並在本地執行交易,計算出當前狀態集hash。

如果定序器上傳了錯誤的狀態集hash,本地計算結果會不同,此時可以發起質疑。Optimism使用OutputRoot字段來體現狀態變化,由StateRoot和其他兩個字段計算得出。

MIPS虛擬機與內存Merkle Tree

爲在鏈上驗證OutputRoot正確性,Optimism團隊用Solidity實現了MIPS虛擬機,並設計了交互式欺詐證明系統。這個系統將交易處理流程細化,觀測是哪個MIPS操作碼導致了錯誤。

MIPS虛擬機的狀態信息被組織成Merkle樹結構。在交互式欺詐證明中,需要確定哪個操作碼導致狀態hash出錯,然後在鏈上重現虛擬機狀態並執行該操作碼。

交互式欺詐證明

Optimism開發了Fault Dispute Game(FDG)協議,包含挑戰者和防御者兩個角色。雙方需在本地構建GameTree,通過多輪交互定位有爭議的MIPS操作碼。

ZK化欺詐證明

傳統欺詐證明存在交互復雜、gas成本高、開發難度大等問題。爲此,Optimism提出ZK Fraud Proof概念。核心是挑戰者指定需重放的交易,定序器給出ZK證明,由以太坊合約驗證。

相比交互式欺詐證明,ZK Fraud Proof將多輪交互簡化爲一輪ZK證明生成和驗證,節省時間和成本。相比ZK Rollup,僅在被挑戰時生成證明,降低了計算成本。

這一思路也被BitVM2採用。BitVM2通過比特幣腳本實現ZK Proof驗證,並對上鏈程序進行了精簡。多個項目如Bitlayer、Goat Network等已採用這一方案。