欺詐證明與ZK Fraud Proof實現思路解析

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提出了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經歷了多個理論版本的演化,從早期的BitVM0到後來的BitVM2,相關技術路徑不斷成熟。多個項目如Bitlayer、Citrea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的基礎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,會將數據上傳至以太坊。任何人都可以運行Optimism節點,下載這些數據並在本地執行,計算出當前狀態集哈希。

如果定序器上傳錯誤的狀態集哈希,本地計算結果會有差異,此時可通過欺詐證明系統發起質疑。

Optimism採用StateRoot字段反映狀態集變化。定序器會定期將OutputRoot上傳到以太坊,OutputRoot由StateRoot和其他字段計算得出。

MIPS虛擬機與內存Merkle Tree

爲在鏈上驗證OutputRoot正確性,Optimism開發團隊用Solidity編寫了MIPS虛擬機,實現了部分OP節點功能。但由於以太坊Gas限制,無法在鏈上完整執行OP區塊中的所有交易。

爲此,Optimism設計了交互式欺詐證明系統,將交易處理流程細化爲MIPS操作碼序列。系統通過觀察哪個操作碼執行時出錯,來判斷OutputRoot是否有效。

MIPS虛擬機的狀態信息被組織成Merkle樹。欺詐證明相關合約通過Step函數在鏈上執行單條MIPS指令,比對結果是否一致。

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。

GameTree由兩層Merkle樹組成,第一層葉子節點是不同區塊的OutputRoot,第二層葉子節點是MIPS虛擬機的狀態哈希。雙方在鏈上多次交互,最終確定需要在鏈上執行的單條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提出了ZK Fraud Proof概念。

核心思路是:挑戰者指定需要重放的交易,Rollup定序器提供該交易的ZK證明,由以太坊智能合約驗證。如驗證通過,則認爲交易處理無誤。

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gas成本。相比ZK Rollup,它僅在被挑戰時生成證明,降低了計算開銷。

BitVM2也採用了類似思路,通過比特幣腳本實現ZK Proof驗證,並對上鏈程序尺寸進行了極大精簡。