Opside ZK-PoW V2.0：支持多鏈多Rollup的ZKP挖礦
一、Opside ZK-PoW 介紹
Opside 是一個去中心化的ZK-RaaS (ZK-Rollup as a Service)平台，也是業內領先的ZKP（零知識證明）挖礦網絡。 ZK-RaaS (ZK-Rollup as a Service) 可以為任何人提供一鍵生成ZK-Rollup 的服務。 Opside 提供通用的ZK-Rollup launchbase，開發者可以通過launchbase 輕鬆地部署不同類型的ZK-Rollup 到不同的base chain 上。
Base chain，包括Ethereum/Opside chain/BNB chain/Polygon PoS 等公鏈。
ZK-Rollup 類型，包括zkSync、Polygon zkEVM、Scroll、StarkNet 等zkEVMs，以及其他種類的ZK-Rollups。
Opside ZK-PoW Cloud 會部署到多鏈上，包括但不限於Ethereum、BNB Chain、Polygon PoS 以及Opside Chain 本身。在Opside 的設計中，開發者可以在上述不同的base chain 上部署ZK-Rollups。隨著ZK-Rollup 技術的逐漸成熟，未來可能會誕生成百上千個ZK-Rollups，這將帶來極大的ZKP 算力需求。 Opside 使用ZK-PoW 機制來激勵Miner 提供ZKP 算力，從而為ZK-Rollup 提供完整的硬件設施。
二、ZK-PoW V 2.0 整體架構
ZK-PoW V 2.0 的整體架構包括幾個關鍵組件：
ZK-PoW Cloud：這是Opside 提供的用於ZKP 計算的雲基礎設施。它部署在多個鏈上，包括Ethereum、BNB Chain、Polygon PoS 和Opside Chain。 ZK-PoW Cloud 負責協調和管理ZKP 計算任務。
礦工節點：這些是由礦工操作的節點，他們貢獻自己的計算能力來執行ZKP 計算。礦工可以通過在他們的挖礦硬件上運行專用軟件來參與ZK-PoW 網絡。
ZKP 任務分發：ZK-PoW Cloud 將ZKP 計算任務分發給礦工節點。分發是以去中心化方式進行的，以確保公平性和效率性。 ZKP 任務包括為各種ZK-Rollup 生成和驗證零知識證明。
ZKP 計算：礦工節點接收ZKP 計算任務，並進行必要的計算來生成所需的證明。這涉及執行密碼學算法和進行複雜的計算。
證明提交和驗證：一旦ZKP 計算完成，礦工節點將生成的證明提交給ZK-PoW Cloud 進行驗證。雲基礎設施驗證證明的正確性，以確保其有效性和完整性。
激勵機制：礦工通過為他們的計算貢獻獲得獎勵來激勵他們參與ZK-PoW 網絡。獎勵系統旨在激勵礦工並維護網絡的安全性和穩定性。
總的來說，ZK-PoW V 2.0 將礦工的計算資源與雲基礎設施相結合，為各種ZK-Rollup 提供高效且可擴展的ZKP 計算能力。
Aggregator 是Prover 的重要組成模塊， 它負責分發ZKP 證明任務並接收任務結果即ZKP 證明，管理ZKP 證明以及將ZKP 證明提交到Base Chain 以此獲取獎勵。因此基於功能將新版Aggregator 分為三個子模塊，分別為：Proof Generator, Proof Manager, Proof Sender。
如上圖虛線框內Proof Generator 模塊將負責給prover（PoW 礦機） 發布證明任務並接受任務結果：ZKP 證明，然後將ZKP 證明保存到DB 數據庫中。 Proof Manager 負責管理完成是ZKP 證明，將要上鍊的ZKP 證明封裝成發送任務轉交給模塊Proof Sender。模塊Proof Sender 完成ZKP 證明上鍊，即提交證明給部署在Base Chain 上的zkevm contract。
下面分別介紹這三個模塊：
Proof generator
Rollup Chain 將一定數量交易，打包成一個batch，然後將若干個（依據交易的頻繁性等多個因數）batch 打包成一個sequence，然後將其提交到Base Chain，因此我們可以說每次上鍊數據單位是sequence。每個sequence 包括1 個以上batch，而ZKP 證明是證明已提交的sequence 的合法性，所以batch 是證明任務最小單位。
依據sequence 包含的batch 不同，需要完成的證明任務也不同，具體如下：
batch 數目等於1 ， 證明流程BatchProofTask ----> FinalProofTask，需要依次完成BatchProofTask，FinalProofTask 證明任務。
sequence 包含batch 數目大於1 ， 證明流程多個BatchProofTask ---->AggregatorproofTask ---> FinalProofTask，需要依次完成多個BatchProofTask ，AggregatorproofTask，FinalProofTask 證明任務。
為了盡可能提高證明產生的效率，也為了提高PoW 礦工收益，我們盡可能並發生成證明。具體表現在以下兩方面：
各個sequence 證明生成沒有上下文或者狀態上依賴，可以並發進行。
同一個sequence 裡多個BatchProofTask 可以並發進行。
以此更好的發揮prover 的算力資源，從而能更高效的生成證明。
Proof manager
該模塊主要負責管理ZKP 證明，控制ZKP 證明上鍊驗證。主要分為三個模塊
submitPendingProof: 該模塊只在Aggregator 每次啟動時執行一次，目的是將上一次Aggregator 服務停止前未完成的ZKP 證明提交完成。這裡是針對proofHash 提交了且其他礦工提交了proof 的情況。關於proofHash， proof 的介紹參考Proof Sender。
tryFetchProofToSend: 在協程執行，將最新生成的ZKP 證明且該證明對應的sequence 未被驗證加入到Proof Sender 的緩存中等待上鍊。
processResend: 在協程執行，目的讓超過時間窗口沒驗證成功的sequence 重新提交上鍊。
Proof sender
Opside提出了一個ZKP 兩步提交算法，來實現了prover 的去中心化。這種算法既能夠防止ZKP 搶跑攻擊，又可以讓更多的礦工獲得獎勵，從而鼓勵更多的礦工在線，並提供穩定、持續的ZKP 算力。
第1 步：對於某個sequence 生產PoW 證明記為proof，首先計算Hash(proof / address), 記為proofHash，並向合約提交，若該sequence 之前沒有提交過proofHash，則開啟proofHash 的提交時間窗口T 1 ， 在之後T 1 個區塊內礦工都有資格提交該sequence，且T 1 區塊後才能提交proof。
第2 步：提交proof， T 1 後區塊後，開啟proof 提交，且限定在T 2 個區塊內提交。如果T 2 區塊後，所有礦工提交proof 都沒驗證通過，則之前所有提交過proofHash 的礦工都被被懲罰。如果在T 1 時間窗口能成功提交了proofHash，但是在T 2 時間窗口內未能成功提交proof，且T 2 窗口內其他礦工成功提交了proof，則仍然可以繼續提交該proof。除了以上場景外，重新走兩步提交流程。
如下圖，Proof Sender 基於三個線程安全且優先級排序緩存來實現兩步提交，這三個緩存基於sequence 的起始高度進行排序，保證每次從這個三個緩存獲取元素對應的sequence 高度都是最低的，同時這三個緩存中元素是去重的。對應sequence 的高度越低越需要優先處理。
finalProofMsgCahce: 存放的是Proof Manager 發送來finalProof 消息，也就是完成ZKP 證明。
monitPHTxCache： 存儲要監控proofHash 交易。
ProofHashCache: 存儲proof 消息，用於proof 上鍊。
如下圖：
Proof Sender 模塊啟動後會啟動3 個協程，分別消費這三個緩存數據。
簡單流程是：
協程1 負責消費finalProofMsgCahce 中的finalProof 消息，計算proofHash ，如果符合上鍊條件（在T 1 條件內），則將proofHash 上鍊，同時將proofHash 交易放入到monitPHTxCache 中。
協程2 消費monitPHTxCache 的proofHash 交易消息，如果在T 2 時間窗口內，滿足proof 上鍊條件，這構造proof 消息，存放到ProofHashCache。
協程3 消費proof 消息，proof 上鍊。
相對舊模塊，結構更加清晰，節省資源開銷。
三、總結
與Version 1.0 對比
V 2.0 拆分了原有服務為三個子模塊，三個模塊分別負責證明產生，證明管理，證明上鍊，結構更加清晰，三個模塊耦合性低，魯棒性強。
證明產生模塊Proof Generator 相對舊版添加了startBatch 參數方便新加入礦工能更快跟上挖礦進度。
證明管理模塊Proof Manager 相對舊版更好改進：對於礦工重啟服務或者其他原因導致proof 未提交或者提交失敗會第一時間重發proof，保證礦工利益；同時重發機制不僅針對proof 提交失敗情況，也針對所有proof 提交失敗或者未提交，重啟時間窗口，保證Rollup Chain 安全性。
證明發送模塊Proof Sender 基於三個線程安全優先級緩存來實現交易兩步式提交，相對之前版本減少全局鎖使用，保證了低高度的proof 能第一時間提交，保證了礦工的利益。同時，整個服務流程更清晰，減少了線程數量，減少了程序執行中資源的消耗。
壓測結果：
Version 2.0 使用10 台64 核機器，完成batch 證明566 個，耗時7 小時38 分40 秒，平均48.62 秒完成一個證明。在多礦工場景下，相較於V 1.0 ，V 2.0 的zk proof 生成效率整體提高了50%
總之，Opside ZK-PoW V 2.0 優化了多礦工參與ZKP 計算的流程，提升了硬件利用率，提高了服務可用性，對礦工更加友好。更重要的是，在多礦工的場景下，將ZKP 的計算縮短到不到一分鐘，極大地加快了ZK-Rollup 的確認時間。
