一文读懂以太坊最新二层隐私技术Zkopru，实现ETH、ERC20和ERC721代币标准互通
7月20日，Ethereum 9¾ 创始人 Wanseob Lim在太坊技术论坛 ethresear.ch上正式发布了Zkopru，这是一种二层（Layer 2）私人交易扩容解决方案，同时使用了zk-SNARK和Optimistic rollup技术。 它能够以很低的成本支持ETH，ERC20，ERC721代币在二层网络内进行私人转移和原子交换。 此外，借助预付款功能，用户可以在交易确认之前从二层提取资产。非常高兴分享以太坊二层隐私技术Zkopru的实现。 从去年11月开始，我和@barryWhiteHat开始构建此项目，如今结果如下。
Zkopru是什么？
- 它是一种二层（layer 2）私人交易解决方案。
- 它使用了Optimistic rollup技术来管理区块。
- 它使用了zk SNARK技术来创建私人交易
性能
- 在以太坊网络上实现每笔私人交易成本仅8000gas。
- 当gas限制为1195万且区块时间为13.2秒时，最大TPS为105
亮点功能
- 支持ETH、ERC20、甚至ERC721
- 支持私人原子互换。可以与私人订单匹配系统一起使用。
- Subtree rollup将成本削减为merkle树形的20分之1
- 在区块最终确认之前进行快速提款
- 使用大量存款和大量迁移，我们可以构建一个第2层间网络。
介绍
Zkopru是一种二层（Layer 2）私人交易扩容解决方案，同时使用了zk-SNARK和Optimistic rollup技术。 它能够以很低的成本支持ETH，ERC20，ERC721代币在二层网络内进行私人转移和原子交换。 此外，借助预付款功能，用户可以在交易确认之前从二层提取资产。
交易
zk交易可以接受多个UTXO作为其流入（inflow），并为其流出（outflow）创建新的UTXO。 因此，最重要的是验证流入和流出。
流入验证
Zkopru使用承诺消除器方案实现隐私。 这意味着zk交易花费了UTXO，而没有透露已使用了哪个票据。 取而代之的是，我们揭示了源自UTXO的无效符，但无法与其原始UTXO链接。
要使用UTXO，必须满足以下条件：
- UTXO证明
- 所有权证明
- commitment证明
- Nullifier证明
流出验证
zk交易可以创建三种类型的输出：UTXO，取款（Withdrawal）和迁移（Migration）。 如果zk事务创建了UTXO，则Zkopru将它们附加到UTXO树中。 创建提款输出时，Zkopru会将它们附加到提款树中。 最后，作为二层区块一部分的大规模迁移（mass migration），包括该区块每个zk交易的迁移输出。
因此，流出（outflow）应满足以下条件：
- 当输出为UTXO类型时，输出的公共哈希值等于在SNARK回路中计算出的值。
- 如果输出的类型是提款或迁移，则应显示详细信息，因为它将正确数量的资产移至网络外部。
最后，zk交易应保证流入等于流出，包括手续费。
区块结构
区块头（header）
数据的前372个字节应为区块头（header）。 区块头包含以下数据：
区块体（block body）
区块主体由交易，大量存款和大规模迁移组成。 此外，区块头应包含来自区块体的正确信息。 如果区块头的值不正确，提出者将通过质询系统被削减。
交易
大量存款
大规模迁移（mass migration）
账户
Zkopru将提出了一种新的公共密钥结构。 注意此规范未来将进行更新。
Zkopru帐户管理着1层和2层密钥对。 首先，该帐户具有一个以随机方式生成的私钥的以太坊帐户。 这用于1层上的交互。 其次，Zkopru钱包从以太坊帐户的私钥中创建一个Babyjubjub私钥和公钥集。 此Babyjubjub密钥集用于二层的EdDSA和加密的备注字段。
UTXO
很快会提出一种新的UTXO规范
Zkopru使用Poseidon哈希计算leaf哈希：
var intermediate_hash = poseidon(ether, pub_key.x, pub_key.y, salt)
var result_hash = poseidon(intemediate_hash, token_address, erc20, nft)
接收者如何知道？
zk交易可以为接收者包括81个字节的加密备注字段。 由于具有零知识特性，如果没有交互过程，接收者也无法知道怎么接收。 因此，为了保持非交互方式，我们可以在接受者的备注字段中放入一些加密的数据。
加密（encryption）
使用Diffie-Hellman密钥交换协议生成共享密钥。 为发送者生成共享密钥的详细步骤为：
1. 创建一个临时密钥及其同态隐藏值：
ephemeral=epublic_ephemeral=ge
2. 将其临时密钥乘以接收者的公共密钥：
recipient_pubkey=gashared_key=(ga)e
3. 准备对压缩数据进行加密：
data = {
salt // 16 byte
tokenId, // 1 byte
value, // 32 byte
}
4.使用chacha20算法对数据进行加密，并使用临时公共密钥创建备忘录数据：
ephemeral = random.new()
public_ephemeral = generator.multiply(ephemeral)
shared_key = recipient_jubjub.multiply(ephemeral)
ciphertext = chacha20.encrypt(data, shared_key)
memo = public_ephemeral + ciphertext
解密（decryption）
使用Diffie-Hellman密钥交换协议，接收者还使用公共临时密钥和私有密钥创建共享密钥。
1. 解析备注（memo）并获取共享密钥：
public_ephemeral, ciphertext = parse(memo)
shared_key = public_ephemeral.multiply(private_key)
2. 使用共享密钥解密ciphertext:
decrypted = ciphertext.decrypt(shared_key)
3. 接收者使用解密结果尝试生成各种可能的UTXO。 这是因为加密的数据只有49个字节以最小化调用数据（calldata）的大小。 因此，接收者应尝试各种组合以检查交易是否包括被恢复的UTXO哈希。 如果未能在TX中找到已恢复的UTXO，则认为TX没有接收方的输出。
压缩数据
为了最大程度地减少调用数据（calldata），Zkopru将原始数据压缩为49字节数据。 首先，它摆脱了加密候选者的公钥，因为接收者将使用自己的公钥来推断出。 并且，它使用Token ID，该Token ID将支持的token地址和索引从0映射到255。然后，由于value可以是ether，erc20Amount或nftId，因此接收者针对这3种情况创建了三种类型的UTXO。 最后，如果在交易的输出列表中存在任何推断出的UTXO，则接收者成功接收了UTXO。
局限性
Zkopru不会强制回路（circuit）检查加密协议。因此，如果发送者未使用适当的共享密钥或数据，则接受者将不会收到备注。
原子交换
Zkopru以直接方式支持原子交换。如果A和B想要交换其资产，则它们会彼此创建备注（note）并将所需的备注公开在交易数据上。然后，协调者应对相反的交易进行配对或被削减。
例如，爱丽丝（Alice）想用天的50ETH交换鲍勃（Bob）的1000 DAI。
- 爱丽丝支出她的60 ETH note，并为自己创建了10 ETH note，并为鲍勃创建了50 ETH note。
- 爱丽丝还计算她未来的1000 DAI note的哈希值，并将该哈希值暴露给她交易的swap字段。
- 鲍勃则支出他的3000 DAI note，并为自己创建了2000 DAI note，为爱丽丝创建了1000 DAI note。
- 鲍勃还计算他未来的50 ETH note的哈希值，并将该哈希值暴露给他的交易的swap字段。
- 一旦协调者匹配了交易池中成对的交易集，它将把交易对包括在一个新区块中。
- 如果一个区块仅包含其中一个，则协调者将被削减。
Zkopru正在使用一种简单版本的原子互换。然而如果你想要检验一种基于MPC的zk原子互换模型，你可以在这里看到详细信息。
Merkle树结构
UTXO树和withdrawal树中的备注（note）在下一个版本将有64深度。将只有一个单一的UTXO树和一个提取树。
Zkopru的树林由UTXO树，nullifier树和withdrawal树组成。
UTXO树是仅追加用法，包含UTXO的Merkle树。 通过提交包含Merkle证明，用户可以将UTXO用作交易的流入。 并将交易的输出结果附加回最新的UTXO树中。
另外，如果zk-transaction创建withdrawal输出，则Zkopru会将它们附加到最新的withdrawal树中。 将树的根被标记为已完成后，所有者可以通过证明所有权来提取资产。
然后，通过 commitment-nullifier方案，将用过的UTXO的nullifier标记为在nullifier树（唯一的稀疏Merkle树）中使用。 如果交易试图使用已经无效的叶子（leaf），它将变为无效（nullified），并且挑战者系统会大幅削减区块提议者。
Merkle树规范
{% hint style=“warning” %}
UTXO树&withdrawal树在Burrito版本上有64深度 https://github.com/zkopru-network/zkopru/issues/35
{% endhint %}
如何管理UTXO树
单个UTXO树是用于成员资格证明的稀疏Merkle树。 它使用Poseidon哈希（SNARK中最便宜的哈希函数之一）生成zk SNARK证明以隐藏支出哈希及其路径。
要将新树叶（leaf）追加到UTXO树，协调者将执行以下步骤。 1.准备一个阵列。 2.协调者选择要包括的MassDeposits，并将MassDeposits中的每笔存款附加到阵列中。 3.二层交易生成新的UTXO。 将新生成的UTXO附加到阵列。 4.以区块大小为32对准备好的数组进行分割。5. 构造子树(sub-tree)并执行子树rollup。
假设UTXO树已被（2 ^ 31）个事项完全填充，系统将被填充的树进行存档并启动一个新树。 也允许使用归档树来引用交易的包含证明。
Nullifier树
每次转账，提款和迁移交易都支出带有包含证明的UTXO，并标记在nullifier树上使用的派生nullifier。因此，nullifier树是一个很大的稀疏Merkle树，它记录了深度为254的稀疏Merkle树中每一个用过的UTXO。因此，Zkopru使用最便宜的哈希函数keccak256作为nullifier树的哈希函数。
要更新nullifier树，协调者执行以下步骤：
- 选择交易（转移，取款，迁移）并从交易中收集所有nullifier。
- 检查是否存在任何已使用的nullifier。
- 将每个nullifier标记为已使用。在更新过程中，如果所有nullifier都没有更改nullifier树的根，请丢弃该交易，因为它会尝试进行双花。
提款树（withdrawal树）
与withdrawal树和UTXO树的唯一区别在于，withdrawal树使用keccak256作为哈希函数。 之所以使用keccak256，是因为Zkopru在智能合约上需要提取树的Merkle证明，而在SNARK回路中则需要UTXO树的Merkle证明。 在树的根定型后，withdrawal树中的叶子（leaves）在1层智能合约中便是可以提取的。
要更新提款树，协调者执行以下步骤：
- 收集已选择交易的所有withdrawal叶子。
- 拆分出区块大小为32的withdrawal数组。
- 构造子树（subtree）并执行子树rollup。
大量存款（mass deposit）
当用户将资产存入Zkropu时会发生什么:
- Zkopru合约将给定数量的资产从用户帐户转移到自身。
- 验证note是否带有给定信息的一个有效哈希。
- 将note合并到MassDeposit []列表的最后一项。
MassDeposit是用于rollup证明的单个mergedLeaves bytes32值。 可在此处检查什么是rollup证明mergedLeaves。 如果协调员提出一个包含MassDeposits的区块，则该区块会将MassDeposit中的所有note追加到其UTXO Merkle树。
协调员如何处理MassDeposits？
协调员只能包括不再更改的“已承诺（commited）” MassDeposit。 为了包含MassDeposit，协调员将监视Zkopru合约中的存款事件。
MassDeposit什么时候变成“已承诺”？
尽快将存款推到二层网络。 因此，当协调员提出每个新区块时，它将冻结最新的MassDeposit。
协调员可以包含多个MassDeposit吗？
是的，可以在最大挑战成本范围内一次包含多个MassDeposit。
大规模迁移（mass migration）
大规模迁移的基本思想非常简单。 虽然1层合约上的存款交易创建了MassDeposit对象，但是交易的“迁移”类型输出可以创建MassMigration，该MassMigration为其目的地网络构造MassDeposit。
交易可以具有UTXO，迁移（migration）或取款（withdrawal）类型的输出。
在Zkopru中，要进行迁移，就会涉及到源网络和目标网络。 一旦完成源网络上的大规模迁移（相关代码请查看），就可以执行源网络上的migrationTo函数。 该函数可以移动资产（包括Ether，ERC20和ERC721），同时为目标网络创建MassDeposit对象。
因此，目标网络应实现acceptMigration函数。 更多信息在这里
rollup之间的迁移标准将通过EIP进行标准化。
即时取款（instant withdrawal）
在Zkopru中，提取者可以通过设置每个提取note的即时提取费用来请求即时提取。 然后，任何人都可以提前为未完成的提款付款并收取费用。
为了请求即时提款，所有者为她的note生成ECDSA签名并进行广播。 拥有足够资产且可支付的任何人都可以使用签名提前支付取款。 一旦Zkopru成功包含该交易，智能合约便将提款note的所有权转移给付款人。 最后，预付款人在完成交易后将其提取。
我们可以有一个分散的公开市场来收取即时取款费。 要跟进最新进展，请订阅此github: https：//github.com/zkopru-network/zkopru/issues/333
结论
根据此规范，我们已成功使用Circom，Solidity，Typescript等构建了测试网。
使用zk-SNARK和Optimistic rollup的以太坊二层私人交易扩展解决方案。 -zkopru-network / zkopru
首先，我们可以实现了一种每笔zk交易可承受的gas成本。 平均值约为8800gas，当gas限制为1,150,000且区块时间为13.2秒时，理论上最大的TPS为105。 在Zkopru中，交易数据消耗约534个字节。 由于证明数据为256字节，因此如果将来应用证明聚合，我们可以减少大约两倍的交易成本。 否则，每个区块提出和最终确定的存储成本分别约为168k gas和55k gas。 当我们包括350笔交易时，此成本约为区块生成成本的6.7％。
此外，我们可以利用Optimistic Rollup的灵活性来实现许多功能。 首先，Zkopru通过多个SNARK验证密钥支持各种类型的交易。 您甚至可以使用1个输入和4个输出，或4个输入和1个输出完成一笔交易。 通过Optimistic Rollup的灵活性，使其支持多种类型的交易非常简单。 其次，Zkopru实现了精确类型的挑战案例。 这意味着，如果区块的第n个交易有问题，则质询仅检查该特定交易。
另外，Zkopru需要您在计算机上运行节点，这一点也很重要。 因此，SNARK高效率性和轻节点是软件实现要考虑的重要因素。 因此，我们将使用Typescript和NodeJS构建该项目，以供将来在基于本机的移动应用程序中使用。 预计轻型节点将仅消耗约50〜100 MB的存储空间用于树管理。
总结一下工作，我们希望Zkopru可以用于以太坊的隐私交易层。 它既快速，便宜，又可移植到升级版本。 欢迎感兴趣的人为该项目进行捐款。 您可以通过Zkopru的文档页面（https：//docs.zkopru.network）查看一个已经组织过的版本。
感谢你阅读本文。
参考文献：
- Ethereum 9 3/4: Optimistic rollup for zk-Mimblewimble1
- BarryWhitehat’s zk-rollup1
- John Adler’s Minimal Viable Merged Consensus1
- Plasma-group’s Optimistic Rollup
- Batch Deposits for [op/zk] rollup / mixers / MACI
- Mass migration to prevent user lockin in rollup