Aragon最新研究：通過zk-Rollups進行安全的鏈下投票

本文來自Aragon，原文作者：Nate Williams & Pau Escrich，由 Odaily星球日報譯者 Katie 辜編譯。

本文提出了一個概念，利用zk-SNARKs來實現治理的下一個前沿方向：無gas費+經過驗證+綁定的鏈上治理。

背景

作為領先的數字治理項目，Aragon Labs在研究和創新治理模式方面投入了大量資金。我們已經確定了各種顯示出潛力的Layer 2治理解決方案，但也存在一些技術問題。我們已經能夠在我們專門的投票區塊鏈——Vochain上實現無gas手續費的投票過程，並設計和實現了一種使用以太坊存儲證明（Ethereum Storage proof）的方法，將基於ERC-20代幣的統計從以太坊跨鏈到Vochain。不過到目前為止，將跨鏈結果轉到以太坊的可能性一直是一個開放性的研究問題。

為此，Aragon Labs一直在進行一項新設計的實驗，該設計將允許鏈下投票過程的結果跨鏈到以太坊，而不使用主觀預言或任何其它可信組件。

該提議背後的核心創新是：我們所知的任何系統都無法在鏈下組織投票過程，並基於該過程的結果在以太坊上棉信任地執行操作。此建議的用例可能包括基於結果執行綁定操作的所有治理流程，例如（但不限於）對資產分配或智能合約更改的DAO投票。這些治理流程目前必須在以太坊主網上進行，這會給每個投票者帶來大量的gas費用。或者投票可以在鏈下進行，但要相信外部組件會準確、誠實地將結果轉發回以太坊。

我們的提議將允許完全在鏈下進行的投票過程，在以太坊上以與鏈上治理相同的完整性執行結果，成本僅為鏈上治理的一小部分。

投票協議概念驗證要求

在設計技術解決方案之前，我們定義了研究方案的參數:

投票協議的要求是:

免許可；
抗審查；
能夠在以太坊上綁定結果；
不產生gas手續費的投票者；
免於代幣跨鏈；
儘可能簡單（沒有側鏈）；
可與ERC-20 / ERC-777和NFT一起用於投票。

作為概念驗證設計，我們接受以下限制:

沒有用戶匿名：投票可以綁定到一個以太坊地址；
並非沒有收據：購買選票是可能的；
不是為處理全國範圍的選舉而設計的：只針對DAO或ERC-20 / NFT持有者。因此，應該設置最大普查規模（取決於性能和成本）；
對中繼者（relayers）沒有明確的激勵模式。

理想的提案

根據該提案的設計，當創建一個新的投票過程時，組織者向以太坊提交一個交易，指定ERC-20代幣的合約地址，用於投票者普查。此地址的存儲根哈希（Storage Root Hash）在指定的區塊高度上成為此進程的普查根（census root）。任何持有給定代幣的人都可以通過提供代幣餘額的Merkle Proof 證明（通過EIP-1186）來證明他們的資格。然後，他們可以通過將證明和簽名發送到zk-SNARK匯總中繼者進行投票，後者將計算最終結果的證明。

存在的潛在的問題是，理論上計算結果的zk-SNARK證明（協調者）的參與者可以通過決定排除投票來審查結果。我們通過允許任何人（不僅僅是協調者）提交新的投票來解決這個問題：如果他們檢測到協調者沒有將其包含在內，任何用戶都可以生成並提交包含他們投票的匯總。

我們的提案將運用zk-SNARKS於以下目的：

驗證一個地址之前沒有通過默克爾樹（Merkle Tree）累加器投票；
通過存儲證明驗證用戶擁有代幣；
計算一批選票的部分結果；
驗證選票簽名。

根據上述模式，我們可以發現兩個主要問題：

問題1：ERC20存儲證明驗證對SNARK不友好

ERC-20存儲證明在SNARK中驗證是非常複雜的。這部分是由於它們使用了遞歸長度前綴(Recursive Length Prefix, RLP)解析和多個Kecmack -256哈希驗證，這兩種方法在最先進的SNARK匯總技術中計算效率都很低。這個問題很難解決，所以目前我們使用optimistic驗證來解決這個問題。

問題2：ECDSA / Secp256k1簽名驗證對SNARK不友好

我們可以用來驗證用戶簽名的一種當前加密標準是ECDSA，該標準使用來自以太坊簽名的BabyJubJub密鑰，使用該簽名作為原始私鑰，允許用戶恢復其地址。由於此方法依賴於用戶簽名，因此很容易受到惡意代理的攻擊，這些代理會欺騙用戶在他們的Web3錢包中對欺詐性交易進行簽名。此漏洞存在於瀏覽器錢包用於簽署交易的任何地方。一個潛在的解決方案可能是使用web地址作為派生路徑來派生私鑰。

另一個挑戰是證明每個代幣所有者的以太坊地址批准了BabyJubJub公鑰，以便在投票過程創建的區塊高度進行投票。我們通過一個“單例”智能合約來實現這一點，該合約將以太坊地址映射到BabyJubJub公鑰，用戶必須通過標準交易將他們的密鑰添加到智能合約中。地址到密鑰的映射可以通過optimistic的存儲欺詐證明來實現。因為預計這些授權密鑰將在不同的投票過程中使用多次，此解決方案還通過可重用設計解決數據可用性問題。

總之，我們可以在SNARK中處理大多數驗證，但不包括：

確認一個地址之前沒有通過默克爾樹（Merkle tree）累加器→SNARK進行投票；
通過存儲證明（Storage proof）→Optimistic驗證用戶是否有代幣；
計算部分投票結果→SNARK；
驗證投票簽名→SNARK。

用戶

創建一個源自以太坊簽名的BabyJubJub密鑰，並將其註冊到投票者註冊處（Voter Registry）智能合約。
檢索其賬戶的投票信息和存儲證明，在投票包上生成簽名，並將其轉發給一個或一組中繼者（relayers）。

投票智能合約

註冊投票進程，包括：ERC-20智能合約地址，ERC-20地址的槽位索引→平衡映射，投票進程啟動塊的狀態根哈希，計算計票的進程參數。

通過zk-Rollup監聽新投票的註冊，SNARK將證明：

結果計算；
投票簽名是由BabyJubJub密鑰決定的；
保持投票累加器更新；
保持投票者名單的更新。

允許任何人質疑上次投票登記舞弊的證據。但必須具備以下條件之一:

存儲證明，證明投票人的以太坊地址沒有代幣；
存儲證明，證明投票人的以太坊地址沒有鏈接到一個BabyJubJub密鑰；
證明BabyJubJub密鑰已經投票（該密鑰在“已投票”的默克爾樹中）。

中繼者（Relayer）

階段0：在以太坊上創建選舉進程，並從可用中繼器列表中選擇一個中繼器。選舉組織者需要支付選舉費用（獎勵給協調者）。組織者提供EVM字節碼，這些字節碼需要在DAO智能合約的選舉之後執行，具體取決於結果。
階段1：投票開始。任何人都可以向所選的協調器發送投票包（可以使用HTTPs或libp2p傳輸）。協調器將選中的結果分批捲起來，構建一個zk-SNARK證明，將這個證明和結果上傳到以太坊，收集用戶投出的選票，驗證它們，並將它們廣播給其它中繼者。
階段2：檢測未加入投票的協調者可以捲起自己的投票，並向投票智能合約發送zk-SNARK有效性證明。此外，如果他們檢測到投票添加錯誤，他們可以發送欺詐證明，以證明之前添加的結果是無效的，產生該結果的協調者將被削減。
階段3:當達到投票日期限制時：
上傳的結果（由協調者和任何第三方）的總和被認為是有效的，獎勵將在協調者和包含更多投票（如果有的話）的參與者之間分配。
任何人（通常是協調者）調用EVM字節碼執行，使用最終結果作為輸入。

線路和合約

zk-SNARK將匯總投票名單。zk-SNARK證明是基於給定的投票列表、普查根、選舉標識符（electionId）和聚合結果而有效的。

zk-SNARK的輸入:

哈希輸入是為了減少SNARK驗證的gas成本；
私人的選舉標識符；
計算的投票結果；
當前的空符根（nullifiers root ）；
更新了的空符根；
批量中的投票數；
投票值和對應的BabyJubJub密鑰簽名。

用於上傳協調這結果的智能合約功能調用的輸入為：

選舉標識符；
該批中投票者公鑰的列表；
更新了空符根；
計算這批的投票結果；
SNARK證明。

概念實施的證明

我們已經實施了最小可行性的智能合約和線路，從而檢查解決方案的成本和可行性。該概念證明僅包括用戶註冊、投票匯總和舞弊證明驗證。

我們的測試產生了以下gas成本：

用戶密鑰註冊表部署：258536
註冊：68956
投票部署：6673,159
新投票：25989
累計匯總：291801
舞弊證明1 ：574574（babyjubjub密鑰未註冊）
舞弊證明2 ：908822（賬戶ERC-20餘額為零）

未來的研究

在這個研究的基礎上，我們想更深入地探討以下想法：

通過SNARKs驗證標準kecak / ECDSA / Sec256k1簽名。我們相信很快，PLOOKUP將能夠驗證這些方案，這將帶來兩種可能性:
證明BabyJubJub密鑰是從Secp256k1密鑰派生出來的。
驗證投票簽名本身。
在SNARK內部驗證存儲證明。我們認為這種複雜的線路可以很容易地通過一個zkVM集成，儘管成本可能是巨大的。我們擔心以太坊客戶端會退出存檔節點，會優先考慮更高的gas費用限制，所以另一個研究領域是嘗試使用EIP1186以外的方法進行存儲證明。
為了計算計數，嵌入一些操作碼在zkVM中執行，使通用可編程投票線路可以運用。
在瀏覽器中生成投票證明，通過批處理混合，並遞歸聚合結果，類似於zk.money 協議。這將增加投票過程的隱私。
允許在瀏覽器級別以分佈式方式計算SNARKs，即使它們的計算代價很高。這節省了對高可見性服務器的依賴，而且完全實現P2P，將所有權力賦予投票者。
在網絡級別的投票協議中嵌入隱私和混合。
找到一個合理的、與以太坊2.0完全互操作的加密經濟學模型。
生成一個獨特的證明，並可以很容易地驗證。這為任何可編程L1和L2（無論是否是以太坊虛擬機——EVM）對任何以太坊投票結果做出反應打開了可能性。長期目標是能夠在任何鏈上投票，並在任何其它鏈上驗證結果。這可能成為某種通過SNARKs交叉rollup/鏈存儲證明驗證的黃金標準。