Opside ZK-PoW V2 版本：多矿工场景下 ZKP计算可缩短至不到一分钟
一、Opside ZK-PoW介绍
Opside 是一个去中心化的ZK-RaaS (ZK-Rollup as a Service)平台，也是业内领先的ZKP（零知识证明）挖矿网络。ZK-RaaS (ZK-Rollup as a Service) 可以为任何人提供一键生成 ZK-Rollup的服务。Opside 提供通用的 ZK-Rollup launchbase，开发者可以通过launchbase轻松地部署不同类型的ZK-Rollup到不同的base chain上。
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Base chain，包括Ethereum/Opside chain/BNB chain/Polygon PoS等公链。
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ZK-Rollup类型，包括zkSync、Polygon zkEVM、Scroll、StarkNet 等zkEVMs，以及其他种类的ZK-Rollups。
Opside ZK-PoW Cloud会部署到多链上，包括但不限于Ethereum、BNB Chain、Polygon PoS以及Opside Chain本身。在Opside的设计中，开发者可以在上述不同的base chain上部署ZK-Rollups。随着ZK-Rollup技术的逐渐成熟，未来可能会诞生成百上千个ZK-Rollups，这将带来极大的ZKP算力需求。Opside使用 ZK-PoW 机制来激励 Miner 提供 ZKP 算力，从而为 ZK-Rollup 提供完整的硬件设施。
二、ZK-PoW V2.0整体架构
ZK-PoW V2.0的整体架构包括几个关键组件：
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ZK-PoW Cloud：这是Opside提供的用于ZKP计算的云基础设施。它部署在多个链上，包括Ethereum、BNB Chain、Polygon PoS和Opside Chain。ZK-PoW Cloud负责协调和管理ZKP计算任务。
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矿工节点：这些是由矿工操作的节点，他们贡献自己的计算能力来执行ZKP计算。矿工可以通过在他们的挖矿硬件上运行专用软件来参与ZK-PoW网络。
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ZKP任务分发：ZK-PoW Cloud将ZKP计算任务分发给矿工节点。分发是以去中心化方式进行的，以确保公平性和效率性。ZKP任务包括为各种ZK-Rollup生成和验证零知识证明。
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ZKP计算：矿工节点接收ZKP计算任务，并进行必要的计算来生成所需的证明。这涉及执行密码学算法和进行复杂的计算。
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证明提交和验证：一旦ZKP计算完成，矿工节点将生成的证明提交给ZK-PoW Cloud进行验证。云基础设施验证证明的正确性，以确保其有效性和完整性。
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激励机制：矿工通过为他们的计算贡献获得奖励来激励他们参与ZK-PoW网络。奖励系统旨在激励矿工并维护网络的安全性和稳定性。
总的来说，ZK-PoW V2.0将矿工的计算资源与云基础设施相结合，为各种ZK-Rollup提供高效且可扩展的ZKP计算能力。
Aggregator 是Prover的重要组成模块， 它负责分发ZKP证明任务并接收任务结果即ZKP证明，管理ZKP证明以及将ZKP证明提交到Base Chain以此获取奖励 。因此基于功能将新版Aggregator 分为三个子模块，分别为：Proof Generator, Proof Manager, Proof Sender。
如上图虚线框内Proof Generator模块将负责给prover（PoW矿机） 发布证明任务并接受任务结果：ZKP证明，然后将ZKP证明保存到DB数据库中。Proof Manager 负责管理完成是ZKP证明，将要上链的ZKP证明封装成发送任务转交给模块Proof Sender。模块Proof Sender 完成ZKP证明上链，即提交证明给部署在Base Chain上的 zkevm contract。
下面分别介绍这三个模块：
Proof generator
Rollup Chain 将一定数量交易，打包成一个batch，然后将若干个（依据交易的频繁性等多个因数）batch打包成一个sequence，然后将其提交到Base Chain，因此我们可以说每次上链数据单位是sequence。 每个sequence包括1个以上batch，而ZKP证明是证明已提交的sequence的合法性，所以batch是证明任务最小单位。
依据sequence包含的batch不同，需要完成的证明任务也不同，具体如下：
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batch数目等于1， 证明流程BatchProofTask —-> FinalProofTask，需要依次完成BatchProofTask，FinalProofTask证明任务。
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sequence包含batch数目大于1， 证明流程多个BatchProofTask —->AggregatorproofTask —> FinalProofTask，需要依次完成多个BatchProofTask ，AggregatorproofTask，FinalProofTask证明任务。
为了尽可能提高证明产生的效率，也为了提高PoW矿工收益，我们尽可能并发生成证明。具体表现在以下两方面：
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各个sequence 证明生成没有上下文或者状态上依赖，可以并发进行。
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同一个 sequence 里多个BatchProofTask可以并发进行。
以此更好的发挥prover的算力资源，从而能更高效的生成证明。
Proof manager
该模块主要负责管理ZKP证明，控制ZKP证明上链验证。主要分为三个模块
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submitPendingProof: 该模块只在Aggregator每次启动时执行一次，目的是将上一次Aggregator服务停止前未完成的ZKP证明提交完成。这里是针对proofHash提交了且其他矿工提交了proof的情况。关于proofHash， proof的介绍参考Proof Sender。
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tryFetchProofToSend: 在协程执行，将最新生成的ZKP证明且该证明对应的sequence未被验证加入到Proof Sender的缓存中等待上链。
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processResend: 在协程执行，目的让超过时间窗口没验证成功的sequence重新提交上链。
Proof sender
Opside 提出了一个ZKP两步提交算法，来实现了prover的去中心化。这种算法既能够防止ZKP抢跑攻击，又可以让更多的矿工获得奖励，从而鼓励更多的矿工在线，并提供稳定、持续的ZKP算力。
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第1步：对于某个sequence生产PoW证明记为proof，首先计算Hash(proof / address), 记为proofHash，并向合约提交，若该sequence之前没有提交过proofHash，则开启proofHash的提交时间窗口T1， 在之后T1个区块内矿工都有资格提交该sequence，且T1区块后才能提交proof。
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第2步：提交proof， T1后区块后，开启proof提交，且限定在T2个区块内提交。如果T2区块后，所有矿工提交proof都没验证通过，则之前所有提交过proofHash的矿工都被被惩罚。如果在T1时间窗口能成功提交了proofHash，但是在T2时间窗口内未能成功提交proof，且T2 窗口内其他矿工成功提交了proof，则仍然可以继续提交该proof。除了以上场景外，重新走两步提交流程。
如下图，Proof Sender 基于三个线程安全且优先级排序缓存来实现两步提交，这三个缓存基于 sequence的起始高度进行排序，保证每次从这个三个缓存获取元素对应的 sequence高度都是最低的，同时这三个缓存中元素是去重的。对应sequence的高度越低越需要优先处理。
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finalProofMsgCahce: 存放的是Proof Manager发送来finalProof消息，也就是完成ZKP证明。
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monitPHTxCache： 存储要监控proofHash 交易。
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ProofHashCache: 存储proof消息，用于proof上链。
如下图：
Proof Sender 模块启动后会启动3个协程，分别消费这三个缓存数据。
简单流程是：
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协程1负责消费finalProofMsgCahce中的finalProof消息，计算proofHash ，如果符合上链条件（在T1条件内），则将proofHash上链，同时将proofHash 交易放入到monitPHTxCache中。
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协程2消费monitPHTxCache的proofHash 交易消息，如果在T2时间窗口内，满足proof上链条件，这构造proof消息，存放到ProofHashCache。
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协程3消费proof消息，proof上链。
相对旧模块，结构更加清晰，节省资源开销。
三、总结
与Version1.0对比
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V2.0拆分了原有服务为三个子模块，三个模块分别负责证明产生，证明管理，证明上链，结构更加清晰，三个模块耦合性低，鲁棒性强。
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证明产生模块Proof Generator相对旧版添加了startBatch 参数方便新加入矿工能更快跟上挖矿进度。
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证明管理模块Proof Manager相对旧版更好改进：对于矿工重启服务或者其他原因导致proof 未提交或者提交失败会第一时间重发proof，保证矿工利益；同时重发机制不仅针对proof提交失败情况，也针对所有proof提交失败或者未提交，重启时间窗口，保证Rollup Chain安全性。
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证明发送模块Proof Sender基于三个线程安全优先级缓存来实现交易两步式提交，相对之前版本减少全局锁使用，保证了低高度的proof能第一时间提交，保证了矿工的利益。同时，整个服务流程更清晰，减少了线程数量，减少了程序执行中资源的消耗。
压测结果：
- Version2.0使用10台64核机器，完成batch 证明566个，耗时7小时38分40秒，平均48.62秒完成一个证明。在多矿工场景下，相较于V1.0，V2.0的zk proof生成效率整体提高了50%
总之，Opside ZK-PoW V2.0优化了多矿工参与ZKP计算的流程，提升了硬件利用率，提高了服务可用性，对矿工更加友好。更重要的是，在多矿工的场景下，将ZKP的计算缩短到不到一分钟，极大地加快了ZK-Rollup的确认时间。