B² Network技术实现：基于零知识证明验证承诺的比特币ZK-Rollup

原文作者：Stone, B² Network Research Lead

B² Network 是比特币上的一个 Layer 2 解决方案，主要利用将零知识证明验证承诺提交到比特币网络，允许挑战者发起欺诈证明进行挑战，以达到利用比特币网络的强大共识保证 B² Network 安全性的目的。

本文主要介绍以太坊上的 ZK-Rollup 和 OP-Rollup 的运行机制，介绍神奇的与非门电路，介绍承诺的作用，并利用这些机制和概念设计 B² Network 上的零知识证明验证承诺，进而说明零知识证明验证承诺如何在比特币网络执行以及如何保证 B² Network 的安全性。

以太坊上的 ZK-Rollup

ZK-Rollup 是一种区块链的二层扩展解决方案，通过聚合多个交易并利用零知识证明来确保这些交易批次的正确性和完整性，并在一层区块链网络上进行零知识证明的验证，从而利用一层网络保证二层网络的安全性。它旨在提高区块链系统的吞吐量，减少交易费用，同时保持高度的安全性和数据完整性。

ZK-Rollup 的运行过程大致如下：

交易聚合和排序。用户向 ZK-Rollup 提交交易，交易将会被提交到 mempool 中。ZK-Rollup 的 Sequencer 从 mempool 中获取用户的交易并进行收集、排序，Sequencer 负责处理交易，更新账户状态，并最终生成一个代表这些更新的批次；

状态转换和计算。所有的交易执行和状态更新都在链下进行。ZK-Rollup 的 VM（包括 zkEVM、zkVM 等不同的零知识证明智能合约执行引擎）计算新的账户状态，并处理如转账、智能合约交互等操作。同时生成必要的数据和证据来证明这些交易和状态更新是有效的，这里面包括新的账户状态和零知识证明；

零知识证明生成。ZK-Rollup 的 Prover 利用零知识证明技术（如 zk-SNARKs 或 zk-STARKs）来创建一个证明，这个证明表明所有聚合的交易都是有效的，没有违反网络规则。这个证明不透露任何有关交易内容的信息，保护用户隐私，同时确保了数据的完整性和安全性。

零知识证明验证。Aggregator 将批次的数据和零知识证明提交到一层区块链网络。这通常以一种压缩的形式发生，以减少所需的链上空间。一层区块链网络上的智能合约接收这些数据和证明，并验证证明的有效性。如果证明有效，合约将更新其记录的 ZK-Rollup 层的状态。

ZK-Rollup 的核心在于零知识证明的生成和验证。ZK-Rollup 的交易在链下执行，并在链下生成状态，通过 Prover 生成零知识证明，作为 ZK-Rollup 的承诺。这个承诺代表着 ZK-Rollup 上的交易正确、有效地执行，生成了正确的状态。一层区块链网络不需要验证 ZK-Rollup 的全部交易和状态，只需要验证承诺，承诺的验证是通过一层网络的智能合约进行零知识证明验证，即可确认 ZK-Rollup 的有效性。

因此，在以太坊的 ZK-Rollup 中，零知识证明数据是二层网络向一层网络提交的承诺。

以太坊上的 OP-Rollup

Optimistic Rollup (OP-Rollup) 是一种为了扩展区块链性能而设计的技术，它通过在链上保持最小的数据和执行尽可能多的计算在链下来实现。OP-Rollup 利用了“乐观”假设，即大部分交易都是诚实的，而不是立即验证每个交易的有效性，这样可以在一段时间后再进行验证，极大地提高了吞吐量和效率。

OP-Rollup 的运行过程大致如下：

交易聚合和排序。用户向 OP-Rollup 提交交易，交易将会被提交到 mempool 中。OP-Rollup 的 Sequencer 从 mempool 中获取用户的交易并进行收集、排序，Sequencer 负责处理交易，更新账户状态，并最终生成一个代表这些更新的批次；

交易的执行。OP-Rollup 的交易在链下执行，每个批次交易的执行，将导致旧的状态转变为新的状态，每个批次都会计算一个新的状态根（一种加密的“快照”表示整个系统状态），并将其提交到一层区块链网络；

状态的验证。OP-Rollup 在提交交易批次时不立即进行复杂的验证，而是“乐观地”假设这些交易都是有效的，然后提交一层区块链网络。如果有观察者认为某个批次是无效的，他们可以提交一个欺诈证明来挑战该批次。在 Optimistic Rollup 解决方案中，欺诈证明是一种允许任何观察者挑战错误或恶意提交到链上的状态或交易的机制。Optimistic Rollup 利用欺诈证明来确保即使是“乐观地”接受的交易也可以在事后被证明是错误的，并相应地被撤销；