零知識證明經濟模型的探索之路

作者：Hugo，ZKPool

TL;DR

1. 提出了⼀種雙層的零知識證明 (ZKP) 經濟模型，其中共享的 ZKP 證明加速器池（Prover Pool）和通⽤的模組化證明加速器（Universal Modular Prover）是 ZKP 生態系統的關鍵組成部分。

2. ZKP 證明加速器代表了下一代的區塊鏈計算基礎設施。

3. 工作量證明 (PoW) 礦機和 ZKP 證明加速器之間存在根本性差異。

4. ZK-rollup 證明經濟模型的設計面臨著「不可能三角」的挑戰：平衡性能、成本和去中心化。

5. 本文分析了幾種 ZKP 證明經濟模型，以 Taiko 的解決方案為例。

1. 介紹

近年來，零知識證明 (ZKP) 技術取得了顯著進展。它在需要計算擴容或隱私保護的項⽬中越來越受歡迎。

ZKP，特別是 SNARK (Succinct Non-interactive Argument of Knowledge) 協議，在以太坊的擴容方向中得到了廣泛認可。以太坊的路線圖包括「Snark Everything」的目標，Vitalik Buterin 聲稱「zK-SNARKs 在未來 10 年將與區塊鏈一樣重要」。

Vitalik 關於 zK-SNARK 的聲明

然而，生成零知識證明比計算本身要複雜得多。

例如，在以太坊中，具有 10M Gas 的塊的計算時間少於 1 秒，如下圖所示。

EVM 性能

然而，對於 ZKEVM 中的電路，在 128 核 CPU 上生成塊的證明可能需要超過 1700 秒。請參考 PSE 團隊的基準測試結果。

ZKEVM 基準測試

即使使用 GPU，ZKEVM 也需要數百秒才能生成證明。這意味著使用 ZKP 驗證 EVM 計算的成本比原始計算高出 1000 倍以上。

未來將有巨大的 ZKP 計算需求，因為將有許多 ZKP 項⽬，包括 zkSync、Scroll、Taiko、Polygon、Linea 和 Aztec 等 L2 項⽬，以及 Aleo、Mina 和 Risc Zero 等 L1 項⽬。還將有其他需要 ZKP 計算能力的隱私、身份和遊戲相關項⽬。

MESSARI 的 ZKP 生態展示圖

我們相信，可信計算將在未來的數字世界中與計算本身同樣重要，ZKP 加速將成為下一代區塊鏈計算能力的核心。

2. ZKP 需要和 POW 不同的經濟模型

工作量證明（PoW）是一種用於分佈式共識的算法。在 PoW 系統中，參與者（礦機）必須執行計算密集型工作，以證明他們已經投入了一定量的計算資源。這些算法的目標是確保網絡安全。礦機競爭找到滿足特定條件的哈希值，以獲得區塊獎勵和交易費用。

然而，ZKP 的目的和特點非常不同。

以下是 POW 礦機和 ZKP 證明加速器之間的比較。

POW 礦機和 ZKP 證明加速器之間的比較

一些 ZKP 項⽬，如 Aleo，仍然使用類似 POW 的機制，但它們並不是主流。以太坊通過 POS 取得的成功證明了 POW 不是實現區塊鏈去中心化的唯一可行解決方案。因此，更多的項⽬可能會選擇非 POW 證明系統來減少能源消耗和總體成本。

在 ZKP 計算範式中，需要設計不同的證明加速器和不同的經濟模型。

3. ZKP 證明經濟模型的不可能三角挑戰

在這個背景下，「證明經濟模型」指的是去中心化零知識證明系統中的激勵機制。零知識證明網絡的三個關鍵指標是成本、性能和去中心化。一個精心設計的證明經濟模型應該滿足這三個要求。

首先，成本是 ZKP 項⽬中一個關鍵因素，特別是對於 ZK-rollups 而言。這是因為它們的使命是擴展以太坊並降低用戶的交易成本。證明成本是 ZK-rollup 和其他 ZKP 項⽬的總成本的一部分。

為了為驗證第二層交易和實現最終性提供更好的用戶體驗，ZK 證明加速器需要高性能的機器。使用並行計算的 GPU、FPGA 或 ASIC 可以幫助緩解瓶頸。這就是為什麼我們使用 GPU 證明 zkEVM 只需要 10 分鐘，而使用 CPU 可能需要幾個小時。

ZKP 證明加速器的另一個關鍵要求是去中心化。去中心化意味著許多參與者可以加入證明工作而不需要獲得許可，並且具有冗餘和地理分散性，使整個系統強大且抵抗審查。

然而，在同一設計中滿足高性能、低成本和去中心化的所有三個方面是不可能的挑戰。

ZKP 證明經濟模型的不可能三角

首先，成本和性能之間存在衝突。如果需要高性能，則需要高價的證明加速器，如 GPU、FPGA 甚至 GPU/FPGA 集群。

隨著 ZKP 在長期內的使用越來越普遍，將會有數百萬個 ZK 證明加速器的市場。到那時，低成本的 ZK ASIC 芯片可以同時滿足低成本和高性能的要求。然而，由於我們目前處於 ZKP 的早期階段，尚未達到如此巨大的市場規模，因此 ZK ASIC 芯片的單元成本相對較高。因此，在這個階段實現成本效益和性能仍然是一個挑戰。

其次，去中心化通常需要證明加速器的冗餘，從而增加了整個證明系統的成本。

例如，如果 ZK-rollup 項⽬在 1 秒鐘內創建一個 L2 塊，並使用高性能 GPU 生成其證明需要約 10 分鐘，那麼需要大約 600 個證明加速器來滿足需求。

如果我們為 ZK-rollup 項⽬部署了 600 個 GPU 證明加速器，則計算能力將足以滿足其吞吐量。然而，如果一些證明加速器由於網絡故障或偶爾的關機未能按時完成任務，則需要其他證明加速器生成證明。增加備份證明加速器的數量和 ZK 證明加速器的去中心化會增加證明系統的總成本。這也是為什麼 POW 在 ZKP 項⽬中不流行的原因。

第三個挑戰是，極致追求證明加速器的性能可能會導致證明網絡被最快的證明加速器所壟斷。這與去中心化的目標相衝突。

從經濟學的角度來看，建立一個確保 ZKP 系統中證明加速器的盈利和活躍的經濟系統是一個具有挑戰性的任務。這就是證明加速器經濟模型的挑戰。

4. ZKP 證明經濟模型的演進

Taiko 是一個去中心化的 ZK-rollup 項⽬，和以太坊等同，並使用 Type 1 zkEVM 技術。在 Taiko 項⽬的初期，它的重點就是設計去中心化的序列器（Sequencer）和證明加速器。這是第一個積極推廣去中心化序列器和證明加速器的 ZK-rollup 項⽬。

Taiko 在其文檔中介紹了其經濟模型設計原則，其中提到了類似的度量標準：

1. 高效地利用證明資源

2. 證明的成本優先於證明的速度

3. 證明加速器的冗餘/去中心化

Taiko 項⽬已經探索了各種解決證明 ZKP 證明經濟模型的不可能三角的方案，並且仍在不斷發展。以下是 Taiko Testnet 及其證明經濟模型的歷史：

1. 2022 年 12⽉ 28 日，Alpha-1：證明加速器未開放。

2. 2023 年 3⽉ 23 日，Alpha-2：證明加速器是無許可的，最快的證明加速器獲勝，沒有經濟模型。

3. 2023 年 6⽉ 7 日，Alpha-3：證明加速器是無許可的，具有動態獎勵經濟加速器。

4. 2023 年 6⽉：批次拍賣式經濟加速器被提出並討論。

5. 2023 年 7⽉ 18 日，Alpha-4：證明加速器是無許可的，具有基於質押的經濟加速器。

6. 新提案正在進行中。

不同 ZKP 證明加速器的比較

4.1 動態獎勵證明經濟模型（Taiko A3）

A3 的經濟模型包括一種動態獎勵機制，旨在鼓勵證明加速器成本低、性能高。它包括以下規則：

• 提交證明最快的證明加速器獲勝。

• 隨著證明加速器提交證明速度的加快，獎勵逐漸降低。

因此，一旦證明加速器成為最快的，其最佳策略是僅比競爭對手稍微快一點提交證明，並等待一段時間以獲得更高的獎勵並保持更大的利潤。

接下來，讓我們看一下 Taiko A3 中觀察到的一些現象。

1. Gas 戰爭

目前，A3 中活躍的證明加速器數量逐漸減少，表現出中心化的趨勢。

A3 測試網上每日活躍證明加速器的趨勢

上述趨勢的原因是，一些高性能證明加速器可以在 24 秒內提交其證明，非常快速。根據以太坊的設計，如果多個證明加速器在同一時間窗口內提交證明，則具有更高 Gas 費的證明加速器將被接受。在 Sepolia 測試網上，gas 費用不是真正的 ETH，非常便宜。

因此，這些高性能證明加速器之間存在 gas 戰爭。他們以極高的 gas 價格提交證明，有時高達 2000 Gwei。一些具有非常高 gas 費用的證明加速器主導了證明任務。

另一種策略是通過在 12 秒內提交證明來優化性能。但是，在 12 秒內提交所有證明很困難，因為根據 A3 設計，更快的速度會導致更少的獎勵。

A3 測試網上的證明加速器 gas 費趨勢

A3 測試網上的高 gas 費

2. 計算資源的競爭

A3 中另一個現象是失敗提交數量的增加。這是因為每個塊只允許一個獲勝者提交證明，即使它們生成有效證明，所有其他提交都將被拒絕。

A3 中失敗率（紅框中的交易）

4.2 基於質押的證明經濟模型（Taiko A4）

在 A4 中，Taiko 採用了基於質押的證明經濟模型，它提供了幾個優點：

1. 消除過度計算資源競爭，因為僅選擇一個證明加速器生成證明。如果未被選中，其他證明加速器不需要再計算。

2. 通過給予更高的權重鼓勵低成本、高性能的證明加速器不能保證獲勝。

3. 與拍賣式解決方案相比，設計相對簡單。

為什麼我們需要質押？原因是，一旦選擇了證明加速器，它需要誠實地並及時提交證明。如果選擇的證明加速器未能完成此任務，則執行懲罰。

A4 中一個重要的現象是 ZKP 證明加速器被懲罰的概率很高，特別是當網絡擁塞時。這裡是一個例子。

A4 測試網上的懲罰歷史記錄

接下來，我們可以討論可能的解決方案。

5. 證明經濟模型的進一步改進

根據我們的分析，預期的零知識證明經濟模型應滿足以下要求：

1. 每個任務只有一個證明加速器，沒有任何浪費的計算。

2. 應該制定機制來防止壟斷情況並促進去中心化。

3. 所選的證明加速器應提供質押，如果他們未能在指定的時間窗口內生成證明，則應受到懲罰。

4. 鼓勵更快的證明提交和降低成本的激勵機制。

5. 證明加速器應獲得高 Gas 費用的補償。

6. 在交通擁堵期間應延長證明窗口。

讓我們進一步擴展討論。

這種零知識證明的質押機制類似於以太坊，因為它鼓勵驗證者誠實。然而，它們之間存在差異。

以太坊驗證器和零知識證明加速器的比較

如表所示，與以太坊驗證器相比，零知識證明加速器的成本更高，被懲罰的風險更大。同時，就獎勵而言，零知識證明加速器的唯一補償來自 ZKP 項⽬方，但它必須包括 Gas 費用、計算硬件成本和質押資產的成本。

以下是一些降低懲罰金額的提議，考慮到零知識證明加速器需要支付 Gas 費用和相對較高的計算硬件資源成本：

1. 如果證明加速器在相對較長的時間窗口內提交了證明，則不應該施加懲罰。這是因為其他人可以按照設計提交證明，證明加速器已經承擔了 Gas 費用和計算能力成本。

2. 如果證明加速器從未提交證明，則應施加較低的懲罰金額。在這種情況下，可能很難區分網絡/技術問題或不誠實問題。因此，懲罰是合理的，但應該較為溫和，因為在大多數情況下，失敗可能是由於網絡擁堵造成的。

當存在網絡擁堵或 Gas 費用非常高時，即使使用合理的 Gas 費用，證明加速器也很難提交證明。以下是可以考慮的一些解決方案：

1. 當基礎費用高時，延長證明窗口。

2. 更具經濟合理性的解決方案是，在基本 Gas 費用高時增加獎勵。

質押機制帶來了一些資金成本。雖然沒有所謂的 POS 獎勵，ZK-rollup 將 POS 作為證明經濟模型的一部分。然而，所有資金都有利息成本。因此，在基於質押的機制中，應增加獎勵金額以覆蓋質押成本，儘管它可以包含在總體證明加速器的獎勵中。

此外，以下改進將是可取的：

1. 為鼓勵更快的證明加速器，在選擇證明加速器後，如果他們在目標證明時間窗口之前提交了證明，則可以增加他們的獎勵。

2. 使用批量的證明有助於減少總體 Gas 費用。

6. 雙層的零知識證明經濟模型

目前，許多零知識證明（ZKP）項⽬都使用自己的證明系統和經濟模型，然而這種方法並不利於在 ZKP 項⽬之間共享計算能力，這導致整個 ZKP 生態系統的成本更高。

正如我們在前面的部分中分析的那樣，ZKP 項⽬需要一個複雜的機制來管理懲罰、獎勵、證明時間窗口和其他相關方面。

此外，成為各種 ZKP 項⽬的證明加速器並質押各種資產存在很高的門檻。

為了實現更健康和更具成本效益的 ZKP 證明生態系統，採用雙層經濟模型可能是一個不錯的解決方案。Taiko 在多輪證明經濟模型迭代後提出了一個解決方案，我們進一步將該解決方案擴展為一個雙層框架。

在這種方法下，每個 ZKP 項⽬作為第一層運行，定義自己的經濟模型。然而，證明加速器的選擇、調度、懲罰、獎勵和評級則委託給第二層，即共享的證明加速器池。

雙層的 ZKP 經濟模型

ZKPool 作為證明加速器池可以聚合多個 ZKP 項⽬的需求並分配任務給證明加速器，使他們具有更高的利用率和更多的收益。此外，它降低了參與門檻並最小化了可能的懲罰。

為了向 ZKP 項⽬提供最佳性能和低成本的證明加速器，ZKPool 可以實現一個證明市場，採用標準化的費率系統來評估證明加速器的性能，並在證明加速器之間創建競爭機制。該系統可以將最佳證明加速器返回給 ZKP 項⽬，而 ZKPool 可以根據評級系統提供額外的平台激勵。這種方法可以極大地惠及 ZKP 項⽬和 ZKP 證明加速器。

雙層經濟模型的職責範圍

此外，我們提出了 UMP（通用模組化證明加速器）概念。通用模組化證明加速器可以在同一硬件平台上運行，同時支持各種 ZKP 項⽬的證明工作。

通用模組化證明加速器

整個 ZKPool 都將走向去中心化，並促進經濟健康的 ZKP 生態系統。

ZKPool 架構概述

ZKPool 的設計原則：

最小化 ZKP 項⽬成本，同時最大化證明加速器收入。

簡單：易於訪問 ZKP 計算能力，易於加入 ZKP 證明加速器。

透明度：保持收入分配透明。

不僅是 ZKP，還有人工智能和空間計算在 web3 的部署將需要加速計算資源。ZKPool 最終可以在整個 Web3 中共享所有加速計算資源，我們可以稱之為 Web3 的加速層。

we3 的加速層

7. 結論

探索 ZKP 證明經濟模型是一個漫長而富有收穫的旅程。通過我們的研究，我們確定了成本、性能和去中心化作為 ZKP 證明經濟模型的關鍵指標。實施雙層的 ZKP 證明經濟模型可以使整個系統受益。此外，共享通用證明加速器池對 ZKP 生態系統至關重要。

下面，我們需要應對並解決這些挑戰，以完全完成這個生態系統。其中重要的工作包括為 ZKP 證明加速器構建標準輸入，降低硬件要求等。這些是我們關注和努力的領域。