OP Stack + 零知识证明 = L2的终局游戏？

撰文：Bill Qian、Yongqin Song、Bonan Yuan，Cypher Capital

Layer2的终局游戏

如今的Layer2赛道厮杀异常激烈，前有Arbitrum, Optimism, Base 等基于optimistic的rollup，后有Scroll, zkSync, Starkenet, Scroll，Polygon zkEVM, Taiko, Linea等基于ZeroKnowledge Proof的ZKP rollup。看似Layer2的竞争百花齐放，实则都在工程原理上都是使用了，链下计算，链上证明的思路。无论是optimistic的 fraud Proof还是ZKP的电路证明，在工程实践上的核心区别，即是在链上证明方式的不同，别的原理其实大同小异。于是乎，Optimism选择了一条特殊的路径，即模块化Layer2，在逻辑上将Layer2多各个组件解藕。当OPstack实现Layer2各个模块的结偶后，一个非常看似脑洞大开时则合乎逻辑的思路打开了，即ZKP on OP Stack，把OP Stack的challenger由Optimistic Proof改成Zero Knowledge Proof，OpStack将成为支持多种证明的通用Layer2架构！

ZKP on OP Stack

一切讨论的开始来自一篇Optimism的RFP, https://github.com/ethereum-optimism/ecosystem-contributions/issues/61 。

下面我来介绍下这篇RFP提出的问题和发展方向。

意图：实现零知识证明以证明Optimism’s  错误证明程序 (通过Golang编译器支持的指令集)

如何实现：给OP链实现零知识证明(ZKP)是实现L2与L1之间安全和低延迟通信的前提。一种支持指令集的零知识证明，可以证明Optimism的错误证明程序，且包括任意OP Stack的区块链。在证明ISA的标准执行跟踪的基础上，支持故障证明程序还引入了额外的要求。

具体来说，故障证明程序引入了“预图预言机”的概念，它使用特殊的系统调用将外部数据加载到程序中。每个故障证明虚拟机负责实现一些机制，通过该机制，某些数据的哈希被放置在内存的特定位置，执行系统调用，然后将该哈希的原像加载到内存中供程序使用。预图预言机还用于使用初始输入引导程序。有关详细信息，请参阅故障证明程序文档中的“预图预言机”部分。

简而言之，该提案就是想利用OP Stack的高度模块化特性，将原本基于乐观证明(Opstimisic Proof)的错误证明方式，切换为利用零知识证明完成。进一步的特化，因为目前OP是将GETH通过MIPS编译为Mini Geth, 那么OP Stack的零知识证明可以理解为 ZKMips，即基于Mips虚拟机的零知识证明。

Why ZKP?

目前基于OP Stack不是跑的好好的嘛，基于乐观证明的Optimism和Arbitrum都取得极其良好的社区支持和开发者支持。OP Stack为什么还要探索零知识证明呢？笔者认为这里有几点原因

• OP Stack将layer2的模块高度抽象化，引入ZKP只是引入不同的错误证明方式，并不意味着OP会放弃乐观证明。使用OP Stack的开发者可以自由选择不同的证明方式

• 基于乐观证明(Optimistic Proof)的Optimism和Arbitrum目前依然不支持错误证明，本质上OP和ARB是两条无法证伪的单机链。

• 乐观证明7天的最终确认速度，实在是太慢了。当ZKP的Layer2占据市场后，ZKP快至30分钟的证明速度会形成显著的优势，最终用户会选择安全性更高的ZKP Layer2

因此，Optimism支持ZKP是迟早的时间。大胆的猜想，未来OP Stack会支持乐观证明和零知识证明2套错误证明系统。OP Stack是一套通用的Layer2架构，并不断迭代。为了帮助大家理解OP Stack为什么可以实现不同证明系统的切换，下文将详细的拆解OP Stack。

OP Stack的核心模块

(该图截自optimism的github)

对于OP Stack，重要的几个模块如下:

• op-node

• op-geth

• op-batcher

• op-proposer

• op-program

• Cannon

• op-challenger

这些模块均为独立的程序，并通过http的标准接口沟通，这意味着开发者如果要修改OP Stack中的一些特性，只需要修改其中的特定模块，便可以定制自己的Layer2。下面的章节，将具体的介绍每一个OP Stack的模块，和OP Stack的整体架构。

op-node

op-node是OP Stack中最重要的模块。一方面，作为Sequencer，op-node包含了区块链的共识客户端实现，可以类比以太坊中的Lighthouse, Prysm，为用户提交的交易进行排序；另一方面，作为rollup driver，op-node负责从L1区块的数据中衍生出Layer2的链。

Sequencer在收集用户交易并排序后，会由op-batcher生成一个batch，在batcher将batch提交到L1之前，为了降低Rollup网络中的延迟，Sequencer可以提前生成Layer2的block，通过P2P在Rollup网络中传播。在L2直接产生的block被认为是unsafe的，需要等待batch提交到L1后进行推导才能够视为safe，不过在正常情况下（无区块重组、欺诈等），L2直接产生的block与从L1推导出的block是相同的。Binance等交易所仅等待一定的Layer2 blocks后便认为交易是确定的，而无需等待batch被提交到L1，一定程度上说明出错的概率极低。

推导L2区块的过程由driver负责，driver持续跟踪L1 head block和L2链同步过程，从L1中获取存款交易、L2交易数据和对应收据并生成payload attributes，将payload attributes传递给执行引擎，计算L2 block。L2 blocks完全依赖于L1链的区块，每当包含L2 batch的L1 block产生，L2链进行延伸。此外，当L1 block发生重组，L2 block也会发生重组。

op-geth

op-geth是OP Stack的执行客户端实现，对go-ethereum进行了微小的修改以适应OP Stack的需求。共识客户端op-node通过Engine API来驱动执行客户端op-geth，利用payload attribute，op-geth可以计算出output信息，产生L2 block。

op-batcher

batcher即为batch submitter，主要包含两个任务。一个是对L2 sequencer数据压缩为batches；另一个是将batches提交至L1，让verifier能够利用数据进行验证。

batcher向DA层提交batcher交易，交易包含一个或多个channel frame。channel由一系列sequencer batches组成，以获得更高的压缩率，具体而言，batcher当前使用zlib进行数据压缩。由于channel的大小可能超过batcher交易所能容纳的上限，channel被分为一个或多个channel frame，一个batcher交易可以包括一个或多个channel frame（可以来自不同的channel）。

source: Optimism

该设计为batcher提供了很高的灵活性，未来OP Stack会支持batcher利用多个signer并行提交多个channel。

op-proposer

op-proposer负责将op-geth执行L2 block后产生的新状态承诺（当前以Output Merkle Root形式）提交到L1。Output Root不会立即生效，而需要等待争议期过后才能视为Finalized。

以上为OP Stack已实现的部分，下列的Fault Proof相关模块内容尚未完成，仅根据文档规范进行论述。

OP Fraud Proof由三个组件组成：

• Program: 给定Rollup Inputs(L1 Batch tx Data)的承诺和dispute，无状态地验证dispute（通过PreImageOracle提供的Inputs复现相同的计算过程）

• VM: 给定无状态的Program和Inputs，追踪任何指令（因此是stateful），在L1上证明

• Interactive Dispute Game: 二分Dispute到单个指令，用VM解决这个base case

op-program

op-program是Program的参考实现，在op-node与op-geth的基础上开发，作为无状态的中间件，验证关于L2状态转移的Claim。

为了验证L2状态的声明，program首先将L1 data应用到finalized L2状态，重建最新的L2状态，这个过程与op-node的工作类似。区别在于，op-node从RPC取数据，把状态变化应用到磁盘；而Program从Pre Image Oracle取数据，将状态变化应用到内存。Program流式地从Oracle读取数据，并进行流式的状态变更，直到读到EOF或者提前终止条件。重建L2状态后，根据状态与claim是否相同返回验证结果。

Cannon

Cannon是VM的一个实现，包含两个主要组件：

• Onchain MIPS.sol: EVM implementation to verify execution of a single MIPS instruction.

• Offchain mipsevm: Go implementation to produce a proof for any MIPS instruction to verify onchain.

链上部分，MIPS.sol实现了big-endian 32-bit MIPS指令集，模拟Linux内核的最小子集，为Go程序提供支持，但是不包含并发相关的系统调用。

链下部分，mipsevm用Go语言模拟MIPS.sol的执行过程，

• It's Go code

• ...that runs an EVM

• ...emulating a MIPS machine

• ...running compiled Go code

• ...that runs an EVM

简而言之，Cannon在链上就是在EVM用MIPS去跑MINI Geth(GETH的MIPS编译)，即ETH的Golang版本。

op-challenger

op-challenger负责处理与dispute game相关的流程。

挑战是先选中一个tx执行后的state root发出质疑，之后tx将分解为多个instruction，每个instruction执行后产生新状态，形成S1, S2, … Sn的状态序列。

为了提高效率，挑战双方需要轮流执行steps，分为Attack与Defend两类。

• Attack: 争议的前一个状态作为输入，期待争议状态作为输出。DAG中需要有对前一个状态的承诺。

• Defend: 争议状态作为输入，争议后一个状态作为输出。DAG中需要有对后一个状态的承诺。

举例而言，假设有1-9999个instruction，产生S1-S10000状态序列，先检验第5000个状态，如果相同，attack step，向左二分；如果不同，defend step，向右二分。

最终通过二分法将争议锁定在单个指令的前后状态上，再交由VM处理单个指令的状态验证。

模块的工作流程

正常流程（不包含Challenge）

source: Cypher Capital

1. 用户提交交易，可以通过L2 RPC在L2上提交，或者在L1上直接提交（可以绕过op-batcher，有更强的抗审查能力，也可作为紧急逃生装置）。

1. op-node启动的RPC server接收到交易后，进行排序并发送给op-batcher与op-geth

1. op-batcher对sequenced tx进行压缩，生成batch，提交到DA层（L1）。

1. op-geth执行sequenced tx，将执行后的新状态传递给op-proposer

1. op-proposer将L2的output root作为对于L2状态的承诺发送到L1进行存储，当挑战期结束，状态被视为finalized。

1. op-node中的driver会从L1中获取交易数据以及其他信息，derive出canonical L2 block。在L1上finalized的block中batch tx derive出的L2 block被视为finalized，在L1上被confirmed但未finalized的batch tx derive出的L2 block被视为safe，为降低延迟直接由L2生成的L2 block可以通过P2P提前传播，被视为unsafe。

Challenge流程

source: optimism

1. 用户开启interactive dispute game

1. Cannon (VM)在MIPS虚拟机上运行op-program（Written in Go），以便追踪每步执行的状态变化

1. op-program通过PreImageOracle提供的Rollup Inputs的承诺复现L2状态的计算过程，记录execution trace，无状态地验证dispute

1. op-challenger使用二分法，将争议定位到单个指令

1. Cannon为执行该指令前后的状态变化生成证明，在L1上的智能合约MIPS.sol上进行验证。

OP Stack+ZKP

根据上面的流程介绍，我们容易发现，Challenge模块与其他模块的耦合度很低，对基本交易流程的影响很低，只有在出现欺诈行为的情况下（自2021年12月OP Mainnet上线至今尚未出现）才需要Challenge模块的介入。

为了缩短当前Optimism七天的退出确认时间，也为OP Stack提供更多模块化的选择，Optimism积极拥抱ZKP技术，希望为OP Stack带来能够证明Optimism fault proof program并且支持知名ISA的ZKP，O(1) Labs与Risc-0团队的方案通过了Foundation Mission (RFP) Application。

O(1) Labs方案

source: O(1) Labs

O(1) Labs作为Mina Protocol的开发团队，计划沿用Mina Protocol采用的Kimchi作为MIPS VM的proof system，仅作了一些小的改动。

Kimchi是一个Halo2-like PLONKish system currently configured with an inner-product-argument style polynomial commitment scheme. It supports verifiable computation using traditional turing-machine-based instruction sets.

Kimchi的后端可交换，当前的实现定义在Pasta curves using an inner-product-argument-based polynomial commitment scheme (Pasta-IPA)上，与EVM所用的密码学体系不兼容，在EVM上验证成本较高。于是O(1) Labs计划将Pasta-IPA改为KZG commitment scheme using the bn128 curves (bn128-KZG)，可以使用EVM现成的precompile，效率更高。

原来输入fault proof MIPS系统的输入现在输到bn128-kzg Kimchi系统，ZK-Prove执行路径。pre-image系统调用沿用OP Stack的Cannon，最终proof发送到L1上的智能合约，验证通过后在L1更新状态。

RISC Zero方案

RISC Zero团队计划沿用当前实现的Groth16后端的基于RISC-V ISA的zkVM（augmented with accelerated co-processors for common cryptographic tasks including hashing and ECDSA signature verification）， 对基于Reth的Ethereum ZK Client进行修改以进一步适配Optimism，在zkVM中实现L1-L2的derivation logic以证明交易序列是由Optimism sequencer生成的。

ZK Client由zkVM guest program和host library两个部分组成，类比OP labs方案中的op-program和cannon，zkVM guest program负责计算状态转移，host library负责获取计算数据转移所需的数据，协调zkVM guest program的执行，并生成交易执行状态转移的zkp。

O(1) Labs RISC Zero Performance 44B MIPS instruction-steps for an Optimism block <2B zkVM cycles for an Optimism block Latency 2 days for an Optimism block without paralization 10-20min for an Optimism block with paralization Complexity Kimchi: 35kloc change 5-10kloc ZKP framework: 10kloc of Rust zkVM: 54kloc of Rust Robustness Mina has been securing by Kimchi for 2 years. Extensive automated testing Security kzg-bn128-based EVM-friendly sn ark system require trusted setup. The zkVM emits STARK-based proofs that require no trusted setup. On-chain verification is based on STARK->SNARK conversion. OP Stack Compatibility No fundamental change No change

OP Stack的ZKP可能性探究

目前一家叫做ZKM的团队实现了ZKMIPs的EVM，即将EVM转译为MIPs指令集并进行零知识证明。目前反馈为，很慢，但是可用。 https://ethresear.ch/t/zkmips-a-zero-knowledge-zk-vm-based-on-mips-architecture/16156

考虑到Mina和Risc0都拥有相对成熟的开发，经验，我们有理由相信，OP Stack支持ZKP只是时间问题。但是同时，考虑到OP Stack的ZKP开发启动较晚，且不是原生支持，未来的性能如何依然无法预测。

OP Stack, Layer2的通用架构

OP Stack以其优秀的代码实现、宽容的开源协议以及模块化的架构设计获得了许多知名团队的采用，唯一为人所诟病的在于所采用的Optimistic Rollup技术确定性时间过长，技术先进性不如ZK Rollup。如今，借助第三方专业团队的力量，OP Stack开始了迈向ZKP未来的尝试。考虑到当前OP Stack尚未支持Fault Proof，OP Stack有可能跳过Fault Proof阶段，直接使用ZK Proof来获取更快的确定性与更高的安全性。

对于未来的Layer2开发者而言，OP Stack将成为通用的Layer2架构，开发者可以启动自己的Layer2时，依据应用所需要的安全性和实效性，灵活的选择乐观证明，或者零知识证明。可以预见的是，乐观证明的Layer2会更加廉价，零知识证明的Layer2则会更加安全。

reference: https://blog.oplabs.co/building-a-fault-proof-system/