ZK-PoW 演算法是什麼？混合了 PoS 和 PoW 兩種模式的 ZK-RaaS 平台 Opside，可將驗證供給擴容L2與AI證明。
（前情提要：分析Polygon四大ZK解決方案：有何特點及優勢？ ）
（背景補充：科普｜zk-SNARKs是什麼？V神定調零知識證明未來十年「非常重要」 ）
TL;DR
Opside 提出的 ZK-PoW 演算法，具有以下優勢：
- 一個市場化的 ZK 算力定價機制，不但可以用於擴容（ZK-Rollup），在未來也可以應用於 AI（ZKML）
- 為即將到來的 ZK-Rollup（尤其是 zkEVM）的大規模爆發提供了海量算力平臺；同時也為大量閒置的礦工提供了新的挖礦場景
- ZKP 的兩步提交演算法，為 ZK-Rollup 提供了標準的去中心化 Prover 機制
- 優化的 ZKP 計算與提交機制，將生成 ZKP 的效率提高了 80%
為什麼我們需要 ZK 算力的 PoW 演算法？
當前，以太坊主網上已經有多個 ZK-Rollups 在運行了，包括 Polygon zkEVM 以及 zkSync era。然而實際上目前絕大部分的 ZK-Rollup 專案都沒有實現去中心化的 prover。例如 Polygon zkEVM 的 beta mainnet 中依靠 trusted aggregator 來提交 ZKP，zkSync era 也是類似。
當 ZK-Rollup 數量不多的時候，中心化的 prover 是可行的。但是隨著 ZK 擴容技術的成熟，特別是未來一到兩年時間內 zkEVM 技術的逐漸落地，ZK-Rollup 數量將迎來非常可觀的增長。在海量 ZK-Rollup 的情況下，中心化的 prover 也會引發很多問題：
首先，prover 成本高昂，且需要專業的裝置與機房，不是每一個 ZK-Rollup 的運營者都具有維護一個中心化的 prover 叢集的能力。因此我們需要專業的礦工來承擔未來海量的 ZK-Rollup 的算力需求
其次，如果只有一個 prover，那麼單節點當機就會造成整個 ZK-Rollup 的交易無法被確認。我們需要一個去中心化 Prover 機制來鼓勵多個礦工同時參與一個 ZKP 的計算，並獲得對應的獎勵。
最後，我們需要一個標準化的 ZKP 優化演算法，來提升整體的硬體效率。
Opside 的 ZK-PoW 演算法
作為一條高度去中心化的公鏈，Ethereum 已經擁擠不堪，gas fee 極其昂貴。很多 Web3 應用，尤其是金融衍生品、Game、社交網路等，需要往 layer 2 或者其他公鏈遷移。其實，單純提供高效能和低 gas 的執行環境並不難，一些中心化的方案可以很容易做到這一點。難的是如何在保證高效能和低 gas 同時，保持高度的去中心化程度。
在 Opside 的設計中，每一個 Web3 應用都可以擁有一個專屬的 ZK-Rollup，並且可以自由選擇 base chain。目前，Opside 支援 4 條 base chain，分別是 Ethereum、Opside、BNB chain、Polygon。也就是說，開發者可以選擇在這 4 條公鏈上面部署自己的 ZK-Rollup。為了支撐數量眾多的 ZK-Rollups 帶來的海量硬體資源的需求，Opside 還提供了一個統一的 ZKP 算力市場，鼓勵 Miner 來為這些 ZK-Rollups 生成 ZKP。
PoW 的獎勵分配機制
Opside 採用了 PoS 和 PoW 混合共識。其中 PoS 部分是基於 ETH2.0 的共識改進的。因此，Opside 將擁有超過 10w 多個 validator 來提供海量的資料可用性，同時具有高度的去中心化程度。
在 Pre-Alpha 測試網階段，根據 PoW 演算法，一個 Opside 區塊內，每個 Rollup 會按照一定規則提交一個 sequence。所有 sequence 根據當前 Rollup slots 註冊數量來以及包含的 batch 數量來劃分當前區塊的 PoW 獎勵。當然，可能某些 rollup 在某些區塊沒有提交 sequence，因此 PoW 實際的通膨會低於預期。
Miner 可以自由選擇參與其中一個或者多個 Rollup 的 ZKP 計算。在未來，各個 sequence 將根據對應的 ZK-Rollup 型別、所包含的 Rollup 交易數量、gas 使用量等進行工作量預估，從而對不同 sequence 進行不同的定價。
為了避免 Miner 相關的惡意行為，Miner 需要在一個特殊的系統合約中註冊，並質押代幣。Miner 需要在系統合約中為一個 Rollup 質押相應的 token，才可以為該 Rollup 提交 ZKP。Miner 提交 ZKP 獲得的獎勵也將依據質押量比例來分配，從而避免 Miner 多次提交 ZKP 的惡意行為。
更多細節請參考 Opside Tokenomics
ZKP 的兩步提交演算法：標準的去中心化 Prover 機制
為了鼓勵多個礦工同時參與一個 ZKP 的計算任務，Opside 提出了一個兩步提交的 ZKP 驗證機制。一個 ZKP 對應的 PoW 獎勵份額，會按照一定規則分配給有效 ZKP 的提交者，也就是礦工。
提交 proofhash：在一個時間視窗內，對於某個 sequence，允許多個礦工參與 zero-knowledge proof 的計算。各個礦工計算出 proof 之後，並不直接提交原始的 proof，而是計算（proof /address）的 proofhash，並向合約提交 proofhash。
提交 ZKP：在時間視窗後，礦工提交原始的 proof，並與之前提交的 proofhash 進行驗證。驗證通過的礦工都可以得到 PoW 獎勵，獎勵金額按照礦工質押量的比例來分配。
更多細節請參考 ZKP’s Two-Step Submission Algorithm
優化的 ZKP 生成演算法：礦工效率提高了 80%
Rollup 的智慧合約驗證 ZKP 的時候，如果提交的是原始 proof 資料，就有可能引發鏈上攻擊行為。為了防止惡意攻擊行為，ZK-Rollup 往往需要進行額外的工作量來隱藏原始的 proof 資料。有一種解決方案是，礦工提交的 ZKP 包含了對礦工地址的聚合結果。Opside 提出的 ZKP 的兩步提交演算法，則巧妙地採用了先提交 + 後驗證的模式，不再需要對 proof 和地址做類似的不必要的聚合計算。
此外，在一些開源的 zkEVM 中，ZKP 的計算與提交都是序列的。當 ZK-Rollup 提交了大量的 sequence 時，礦工無法同時計算多個 ZKP。在 Opside 中，ZKP 的兩步提交演算法實現了 ZKP 的平行計算與序列提交，允許礦機同時執行多個 ZKP 生成任務，從而大大加速了 ZKP 的生成效率。
Opside 團隊還對 ZKP 遞迴聚合演算法進行了一系列的優化，充分提升了叢集內機器資源的利用率，進一步提高了 ZKP 的計算速度。
在實際的壓測環境中，礦工擁有 20 臺 128 core CPU + 1TB RAM 組成的機器叢集，測試交易穩定在 27.8TPS 約 40 分鐘。在相同條件下，Opside 將交易的平均確認時間從約 5-6 分鐘降低到了約 3 分鐘，ZKP 生成效率提高了約 80%。在未來，隨著更多 ZK-Rollup 以及礦工的加入，ZK 算力市場的需求端和供給端的規模將進一步擴大，Opside 的 PoW 演算法帶來的效率提升將體現得更加明顯。
總結
Opside 提出的 ZK-PoW 演算法，創造性地定義了一個市場化的 ZK 算力定價機制。這個算力市場為即將到來的 ZK-Rollup（尤其是 zkEVM）的大規模爆發提供了海量算力平臺；同時也為大量閒置的礦工提供了新的挖礦場景。
ZKP 的兩步提交演算法，為 ZK-Rollup 提供了標準的去中心化 Prover 機制，鼓勵更多的礦工提供穩定、持續的 ZKP 算力。同時，優化的 ZKP 計算與提交機制，將生成 ZKP 的效率提高了 80%
在未來，Opside 的 PoW 機制的應用場景可以輕易地拓展，不但可以用於擴容（ZK-Rollup），在未來也可以應用於 AI（ZKML）。
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