Bằng chứng gian lận và phân tích ý tưởng thực hiện ZK Fraud Proof

Bằng chứng gian lận là giải pháp công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực blockchain, bắt nguồn từ cộng đồng Ethereum, được các Layer2 như Arbitrum và Optimism áp dụng. Sau khi hệ sinh thái Bitcoin bùng nổ vào năm 2023, Robin Linus đã đề xuất giải pháp BitVM, với ý tưởng cốt lõi là bằng chứng gian lận, cung cấp mô hình an toàn mới cho lớp hai của Bitcoin hoặc cầu nối.

BitVM đã trải qua nhiều phiên bản lý thuyết khác nhau, từ BitVM0 ban đầu đến BitVM2 sau này, các con đường công nghệ liên quan liên tục trưởng thành. Nhiều dự án như Bitlayer, Citrea, v.v. đều dựa trên công nghệ BitVM để thực hiện.

Bài viết này sẽ lấy ví dụ về chương trình bằng chứng gian lận của Optimism, phân tích giải pháp của nó dựa trên máy ảo MIPS và bằng chứng gian lận tương tác, cũng như những ý tưởng chính của bằng chứng gian lận ZK.

OutputRoot và StateRoot

Cơ sở hạ tầng của Optimism bao gồm các trình tuần tự và hợp đồng thông minh trên chuỗi Ethereum. Sau khi trình tuần tự xử lý giao dịch, nó sẽ tải dữ liệu lên Ethereum. Bất kỳ ai cũng có thể chạy nút Optimism, tải xuống dữ liệu này và thực hiện tại chỗ, tính toán băm của tập trạng thái hiện tại.

Nếu trình tự tải lên băm trạng thái sai, kết quả tính toán địa phương sẽ có sự khác biệt, lúc này có thể khởi xướng sự chất vấn thông qua hệ thống bằng chứng gian lận.

Optimism sử dụng trường StateRoot để phản ánh sự thay đổi của tập trạng thái. Bộ định thứ sẽ định kỳ tải lên OutputRoot lên Ethereum, OutputRoot được tính toán từ StateRoot và các trường khác.

Máy ảo MIPS và Cây Merkle bộ nhớ

Để xác minh tính chính xác của OutputRoot trên chuỗi, đội phát triển Optimism đã viết máy ảo MIPS bằng Solidity, thực hiện một phần chức năng của nút OP. Tuy nhiên, do giới hạn Gas của Ethereum, không thể thực hiện hoàn toàn tất cả các giao dịch trong khối OP trên chuỗi.

Để làm điều này, Optimism đã thiết kế hệ thống bằng chứng gian lận tương tác, chi tiết hóa quy trình xử lý giao dịch thành chuỗi mã lệnh MIPS. Hệ thống xác định OutputRoot có hợp lệ hay không bằng cách quan sát mã lệnh nào gặp lỗi khi thực thi.

Thông tin trạng thái của máy ảo MIPS được tổ chức thành cây Merkle. Các hợp đồng liên quan đến bằng chứng gian lận thực hiện một lệnh MIPS trên chuỗi thông qua hàm Step, so sánh xem kết quả có nhất quán không.

Bằng chứng gian lận tương tác

Optimism đã phát triển giao thức Fault Dispute Game(FDG), bao gồm hai vai trò: người thách thức và người phòng thủ. Cả hai bên cần xây dựng GameTree tại địa phương, thông qua nhiều vòng tương tác để xác định mã thao tác MIPS gây tranh cãi.

GameTree được cấu thành từ hai tầng cây Merkle, tầng đầu tiên là các OutputRoot của các khối khác nhau, tầng thứ hai là hash trạng thái của máy ảo MIPS. Hai bên tương tác nhiều lần trên chuỗi, cuối cùng xác định mã thao tác MIPS đơn lẻ cần thực hiện trên chuỗi.

Bằng chứng gian lận ZK

Chứng minh gian lận truyền thống gặp phải các vấn đề như tương tác phức tạp, chi phí gas cao, độ khó phát triển lớn. Để giải quyết điều này, Optimism đã đề xuất khái niệm Bằng chứng gian lận ZK.

Ý tưởng cốt lõi là: Người thách thức chỉ định giao dịch cần được phát lại, bộ sắp xếp Rollup cung cấp chứng minh ZK cho giao dịch đó, và hợp đồng thông minh Ethereum xác minh. Nếu xác minh thành công, thì giao dịch được coi là xử lý chính xác.

So với bằng chứng gian lận tương tác, ZK Fraud Proof đã đơn giản hóa nhiều vòng tương tác thành một vòng tạo và xác minh bằng chứng ZK, tiết kiệm thời gian và chi phí gas. So với ZK Rollup, nó chỉ tạo bằng chứng khi bị thách thức, giảm bớt chi phí tính toán.

BitVM2 cũng áp dụng một cách tiếp cận tương tự, thông qua việc sử dụng kịch bản Bitcoin để thực hiện xác minh ZK Proof, và đã tinh gọn đáng kể kích thước chương trình trên chuỗi.