通过zk-SNARK与OptimisticRollup技术的结合，Zkopru可实现ETH、ERC20s和ERC721s多种以太坊代币的快速、廉价和隐私的交易，并实现即时取款和隐私原子互换等功能。
撰文：殷耀平
以太坊Layer2隐私扩容新方案Zkopru问世
7月20日，Ethereum9?创始人WanseobLim在太坊技术论坛ethresear.ch上发布了一份新的以太坊扩容方案「Zkopru」的技术实现说明。
Ethereum9?是一种概念证明系统，使用Mimblewimble以及零知识证明等隐私技术来隐藏以太坊代币交易。
据WanseobLim介绍，这是一个结合了zk-SNARK和OptimisticRollup来实现隐私交易的Layer2扩容解决方案，该方案支持在二层网络中以低成本实现ETH，ERC20，ERC721之间的隐私转移和隐私原子交换，并实现了诸多其他亮点功能。
WanseobLim称，该方案是由他和化名为「barryWhiteHat」的以太坊开发者共同完成，他们从2019年11月开始构建此方案，目前Zkopru已发布测试网，代码已在github开源。
「barryWhiteHat」是以太坊社区最活跃的开发者和研究者之一，ZKRollup的扩容方案正是由barryWhiteHat在2018年下半年最先提出。
链闻查询该项目路线图发现，Zkopru计划分为Arcticroll、Burrito、Grilledburrito、Californiaroll、Dragonroll五个阶段进行迭代，github上的开发进度显示，目前第一阶段的开发工作已完成大部分。
Zkopru方案一经推出，便吸引了众多以太坊开发者的关注，*以太坊创始人*VitalikButerin第一时间表达了对该项目问世的祝贺，认为是一项「很棒」的工作，并在推特上转发了该项目的介绍文章。
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下面我们一起了解一下Zkopru扩容方案的主要思路和设计亮点。
什么是Zkopru？
Zkopru的全称是zk-Optimistic-Rollup，是一个基于zk-SNARK和OptimisticRollup的以太坊二层隐私扩容解决方案。可支持第二层网络中ETH、ERC20、ERC721各类代币之间的隐私转账和隐私原子交换，并且费用很低。
「Zkopru」方案使用OptimisticRollup来管理区块，使用zk-SNARK来构建隐私交易。
了解过以太坊Layer2扩容现状的都知道，目前最当红的扩容主力便是基于Rollup技术系列扩容方案，最主流的是两个分支ZKRollup和OptimisticRollup。
简单理解，「ZKRollup」方案是利用Rollup技术进行交易压缩，并利用?zk-SNARK技术实现交易打包和验证，以实现在减少交易成本的同时确保安全性。
「OptimisticRollup」方案吸收了ZKRollup方案对于数据可用性的优势，但去除了零知识证明部分，而是沿用了Plasma的欺诈证明机制。所以在该方案中，不像ZKRollup方案通过SNARK处理后再将数据聚合到链上，而是默认「乐观」相信节点会将最新且准确的数据发布到链上，否则当「验证者」发现有问题时，节点会受到相应惩罚。
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了解更多关于Rollup的知识可以参考链闻文章「以太坊扩容最热门主力方案Rollup学习指南」。
而最新问世的「Zkopru」方案则是对zk-SNARK和OptimisticRollup的结合，相当于是在OptimisticRollup方案中，又加入了零知识证明的技术部分。
Zkopru扩容方案有何特点？
据WanseobLim介绍，Zkopru方案能将每笔zk交易的gas费控制在可承受范围，并实现交易性能提升，使得：
以太坊隐私交易平均成本为每笔交易8000gas。理论上最大TPS为105此外，Zkopru中，交易数据消耗大约534字节，由于证明数据有256字节，未来如果使用证明聚合，还可以将交易成本降低50%左右。
此外，Zkopru方案还能实现以下功能。
1）支持ETH、ERC20甚至是ERC721资产。2）支持隐私原子交换，可以与隐私订单撮合系统一起使用。3）运用SubtreeRollup将默克树的更新挑战成本缩减至原来的1/20。4）即时取款功能实现，在区块最终性达成前，用户可以即时取款。5）利用批量存储和批量转移，可以构建一个内部二层网络。
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Zkopru方案实现：如何证明交易真实性？
我们可以简单了解一下Zkopru方案是如何利用zk-SNARK技术完成交易验证的。
Zkopru方案认为，由于每个零知识证明事务都会接受若干个UTXOs作为其输入，并为其输出创建新的UTXO。因此，最重要的，就是验证输入和输出，从而完成对交易真实性的验证。
首先是输入验证
Zkopru使用Commitment-nullifier来实现隐私保护。在该方案中，每个zk事务会使用UTXO，但不会显示使用了哪个note，虽然会展示从UTXO派生出来的nullifier，但仅仅看到nullifier不可能与原始的UTXO建立起联系，从而可以实现隐私保护。
链闻注：在Zcash的隐私交易方案中。每笔转账都会用note来表示，内容包括转账的金额和一个随机数。note有两个外在的表现形式：一个是Commitment，一个是Nullifier。Commitment代表一次金额转入，Nullifier代表一次消费。对于每个note，Commitment和Nullifier都是唯一的。因为Commitment和Nullifier是通过不同的Hash函数生成的结果，即使这两个数据公开，其他人也无法推断出Commitment和Nullifier之间存在联系。也就是说，提供一个Commitment，能说明进行了一笔转账。能提供对应的Nullifier，就能消费。了解更多请参见链闻文章。
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要花费UTXOs时，必须满足以下条件：
UTXO成员证明：交易构建器提交每个UTXO的Merkle证明来证明其存在。为实现有效的SNARK计算，UTXO树使用Poseidon作为其哈希函数。
所有权证明：只有所有者才能花费UTXO，每个note都会有一个公钥字段，所有者通过使用配对的私钥创建EdDSA签名来证明其所有权。
承诺证明：整个环路需获取有关UTXOs输入的详细信息，从而计算输入量的总和。因此，所有者应该提供详细信息，其Poseidon哈希值应该等于Merkle证明和所有权证明的叶节点哈希值。
无效证明：给定的nullifiers应该从UTXOs输入中正确派生。
其次是输出验证
每个zk事务可创建三种类型的输出：UTXO、取款和转移。
如果zk事务创建UTXO输出，Zkopru会追加到UTXO树中。如果zk事务创建取款输出，Zkopru会追加到Withdrawal树中。最后，批量转移是由区块中的每个zk事务的转移输出所组成。
因此，UTXO的输出应满足以下条件：
当输出是UTXO类型时，输出的公共哈希值必须与SNARK环路中计算所得值相等。当输出是取款或转移类型时，应该显示详细信息，因为该输出需要将正确数量的资产转移至网络外部。
Amalto Technologies SA和ConsenSys共同成立新公司，利用以太坊网络改变能源行业:Amalto Technologies SA和ConsenSys共同成立新公司，将利用以太坊网络自动签发收据石油和天然气产品。这家名为Ondiflo的新公司可以从根本上改变能源行业，由于智能合约，系统将是便宜的。Ondiflo将以财团的形式存在，而市场上最大的公司将首先使用Consensys的发展，该系统的公布定于2月15日。Amalto Technologies SA服务于石油和天然气，工业，环境和企业市场的法国软件公司。ConsenSys为区块链生态系统建立分散的应用程序和各种开发人员和最终用户工具。[2018/1/29]
零和证明
最后，zk事务应该保证输入等于输出，包括费用在内。
Zkopru功能实现：原子交换Atomicswap功能
目前，Zkopru在以一种很简单的方式支持原子交换。
如果A和B想交换他们的资产，他们会为彼此创建notes，并在交易数据中公开所需的note。然后，协调器应该配对相反的事务，或者被惩罚。
例如，Alice想用她的50个ETH换Bob的1000个DAI。Alice花费自己的一个60ETH的note，为自己创建10ETH的note，同时为Bob创建50ETH的note。此外Alice计算出自己未来得到的1000DAI的note的哈希值，并将该哈希值在她的交易事务中通过swap字段公开。同样，Bob花费自己的一个3000DAI的note，为自己创建2000DAI的note，为Alice创建1000DAI的note。Bob也计算出他未来的50ETH的note的哈希值，并将该哈希值在他的交易事务中通过swap字段公开。一旦协调器在交易池中匹配了成对事务集，就会将该对事务打包到一个新区块中。如果一个区块中纳入了不成对的事务，协调器会被惩罚。
Zkopru功能实现：即时取款功能
Zkopru中，取款人可以请求即时取款，取款人可以为每个取款note设置一定的取款费用，然后，任何人都可以提前支付这笔尚未最终完成的取款并获得该取款费用。
具体而言，为请求即时取款，所有者需要为她的note生成一个ECDSA签名并进行广播。任何有足够资产支付的人都可以使用该签名提前支付这笔取款。一旦Zkopru成功打包了该交易，智能合约会将该取款note的所有权转移给预付款人。最后，预付款人可以在区块完成最终确定后取款。
通过该功能，Zkopru团队认为，可以为即时取款建立一个去中心化的公开市场。
Zkopru方案的Merkle树结构
Zkopru的当前版本中，UTXO树和withdrawal树的最长深度将为31，Zkopru团队表示下个版本中最长深度将变为64，并且只有一个UTXO树和一个withdrawal树。
Zkopru方案由UTXO树，nullifier树和withdrawal树所组成。
UTXO树会追加包含UTXOs的Merkle树，用户可以通过提交Merkle证明将UTXOs用作事务的输入，并将事务的输出结果追加至最新的UTXO树中。
同样，如果zk事务创建了withdrawal输出，Zkopru会将其追加到最新的withdrawaltree树中。一旦树根被标记为终结，所有者就可以来提取资产。
最后，通过commitment-nullifier隐私交易方案，已使用过的UTXO的nullifier会在nullifier树中被标记为「已使用」。
用过的UTXO的清零器被标记为在nullifier树中使用，nullifier树是唯一的稀疏Merkle树。如果有事务试图使用一个已被使用的nullifier，该事务会自动失效，并且区块提议者会被质询系统惩罚。
Zkopru方案中Merkle树的详细规格。
UTXO树
单个UTXO树是用于成员证明的稀疏Merkle树，它使用Poseidon哈希生成zkSNARK证明来隐藏花费哈希及其路径。
为了更新UTXO树，协调器需执行以下步骤。
1、准备好数组。2、协调器选择需要并入的MassDeposits，并将MassDeposits中每笔存款都追加到数组中。3、Layer2事务生成新的UTXOs，将新生成的UTXOs追加到数组中。4、将准备好的数组拆分成大小为32的块。5、构造子树并执行子树汇总。
假设UTXO树完被全填满了，系统会将填满的树归档并开始一个新树，已存档的树也可以作为交易的包含证明被引用。
Zkopru会乐观地更新树根，且只在发现挑战时进行验证。Zkopru会使用Subtreerollup的方法生成链上欺诈证明。Subtreerollup会追加固定大小的subtree，而非逐个追加交易项。与单纯的Rollup相比，SubtreeRollup显著降低了大约20倍的gas成本。
Nullifier树
每个转账、取款和转移事务都通过包含证明来花费UTXOs，并标记在nullifiers树上。所以nullifiers树是一个非常大的稀疏Merkle树，要记录稀疏Merkle树中每个已花费的UTXO。因此，Zkopru使用keccak256作为nullifier树的哈希函数。
为了更新nulleizer树，协调器需执行以下步骤。
1、选择事务，并从事务中收集所有nullifiers项。2、检查是否存在任何已经使用的nullifiers项。3、将每个nullifier项标记为已使用。更新过程中，如果有nullifier不更改nullizer树根，立刻丢弃该事务，因为它尝试进行双花。
就像UTXO树一样，Zkopru会乐观地更新nullifier树的根。若有任何问题，可以通过在链上生成欺诈证明来证明一个nullifier使用了不止一次。
Withdrawal树
Withdrawal树和UTXO树的唯一区别是，提取树使用keccak256作为哈希函数。原因是Zkopru在智能合约中需要withdrawal树的Merkle证明，但在SNARK环路中又需要UTXO树的Merkle证明。
要更新Withdrawal树，协调器需执行以下步骤。
1、收集所选交易的每个取款项。2、将所搜集的取款数组拆分成大小为32的块。3、构造子树并执行子树汇总(Subtreerollup)。
Zkopru方案实现：Zkopru中的区块结构
区块头
前372个字节的数据是区块头，区块头包含以下数据：
区块主体
区块主体包括交易、批量存款和批量转移。此外，区块头应该包含来自区块主体的正确信息。如果区块头没有包含正确的值，提案人会被质询系统所惩罚。
交易
批量存款
批量转移
Account
Zkopru计划创建一种新的公钥结构。
每个Zkopru帐户将同时管理Layer1和Layer2的密钥对。
首先，该帐户会有一个随机生成私钥的以太坊帐户，用于与Layer1交互。其次，Zkopru钱包会根据该以太坊账户的私钥创建一个Babyjubjub私钥和公钥集，用于Layer2的EdDSA签名和加密memo字段。
UTXO
Zkopru还将提出一种新的UTXO标准。
然后Zkopru再用Poseidon哈希计算叶节点哈希。
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