詳解Metis 技術優勢打開去中心化新篇章

背景介紹

4 月10 日，A16z Crypto 發布了零知識解決方案Jolt，以加速和簡化區塊鏈擴展操作。

Jolt 整合了SNARK（非互動式簡潔零知識證明），讓開發人員快速建立基於SNARK 的L2 解決方案。團隊也表示，Jolt 比目前的zkVMs 快達2 倍。

ZK 技術是加密產業貫穿週期的主線之一，ZK-Rollup 更是被Vitalik 稱作以太坊擴容長期的解決方案。 A16z 從去年8 月推出Jolt 到今年正式發布，顯示了ZK-Rollup 仍是長坡厚雪的賽道。

ZK-Rollup 已經有眾多玩家入局，已經形成了更細分的技術類別來區分項目之間的差異性，對EVM 的兼容性是最具代表性的分類標準。

EVM 由於歷史性的原因，存在大量的ZK 不友善設計，然而大量現有項目在早期又是基於EVM 構建的，且ZK-Rollup 也被視為未來的擴容方案，因此絕大部分ZK-Rollup 項目都天然面對著更兼容EVM 還是更兼容ZK 的權衡。

由Metis DAO 孵化的ZKM 則是從更底層的角度出發，提出了通用性的zkMIPS 方案。

zkMIPS 透過使用更底層的MIPS 指令集來實現程式執行過程到ZKP 的轉換，除了相容EVM 外，可以相容於其他的VM，例如MoveVM 和RustVM，讓ZK-Rollup 能夠面向更多樣化的開發者敞開大門。

本文將為讀者深入解讀Metis 在ZK 與去中心化Sequencer 上的努力與進展。

ZKM 與Hybrid Rollups：OP 與ZK 的調和

Metis 能夠在市場中取得亮眼表現，離不開其創新的Hybrid Rollups 機制，即將欺詐證明和有效性證明相結合，從而兼具兩者的優點。

ZKM 的zkMIPS 技術又為Metis 的Hybrid Rollups 提供堅實的兼容性支持，讓Metis 實現ZK 和EVM 的有機融合。

2.1 Hybrid Rollups 的機制與優點

在Hybrid Rollups 中，關鍵角色包括：

• Sequencer：負責接收和處理使用者交易，確定交易的最佳順序，並將其打包發佈到共識和資料可用性層。

• Proposers：評估Sequencer提交的交易和狀態根，記錄到狀態承諾鏈（State Commitment Chain, SCC）。

• Verifiers：驗證Rollup鏈上的狀態根，確保交易的正確性並防止詐欺行為。

在標準的L2解決方案中，Sequencer 收集並處理交易，然後將交易資料發佈到以太坊主網（L1）。這個過程需要L1進行最終的資料驗證和確認，從而確保安全性和一致性。

（資料來源：https://mirror.xyz/msfew.eth/WQJaOcFkpTOZLns8MBQaCS4OepRoaZ7uoctnLAnalVw）

Hybrid Rollups在處理和最佳化L2交易時採取了一種混合方法，具體步驟如下：

1. 交易的發起與處理：

• 用戶在L2 發起交易。

• Sequencer 接收並處理這些交易，決定它們在規範交易鏈（Canonical Transaction Chain, CTC）中的順序。

2. 狀態提交與驗證：

• Proposers 評估交易後提交狀態根到SCC。

• Verifiers 對SCC中的狀態根進行審核，確保其準確無誤。

3. 零知識證明的生成與驗證：

• Prover從L1讀取數據，產生ZK證明，這一點是Hybrid Rollups的關鍵特性，允許系統在不洩露特定交易內容的情況下驗證交易的有效性。

• 一旦ZK證明生成，如果未按時提交，Verifier會啟動詐欺證明流程，可能會對Sequencer進行懲罰。

4. 數據和狀態的最終確認：

• 透過智能合約，一旦ZK證明被驗證通過，交易最終確定。

• L1和L2之間透過智慧合約橋接，確保資金和狀態的安全轉移。

Hybrid Rollups的設計提供了多個顯著優勢：

• 效率和成本效益：透過使用ZK證明，Hybrid Rollups能夠在消耗更少的gas的同時，處理更多的交易。

• 增強的安全性：結合了傳統的詐欺證明和ZK證明，即使在遇到潛在的惡意行為時也能保障交易的安全和正確性。

• 可擴展性：利用遞歸證明，Hybrid Rollups能夠處理大規模的交易而不犧牲效能，支援更廣泛的區塊鏈應用。

• 相容性和靈活性：支援多種智慧合約和程式語言，使得開發者能夠輕鬆地將現有應用程式遷移到Hybrid Rollups上。

2.2 zkMIPS 如何實現良好的ZK 相容性

ZK 的核心思想是將程式執行過程轉換成可以簡單驗證的數學證明，讓所有人都能夠輕易驗證程式執行的正確性，且不需要重複執行程序，其中的困難在於如何將任意的程式邏輯轉變成相對穩定的數學證明。

開發者通常使用高階語言來進行程式的開發，而不同的高階語言則使用不同的邏輯與硬體「對話」。

因此，現有的ZK 專案的實作路徑通常互不相容。 Scroll 直接為EVM 的每個操作碼編寫電路，實現了操作碼級別的等效，其準確地反映了EVM，但帶來了巨大的工程量；

Polygon zkEVM 則創建了具有最佳化效能的自訂VM，將EVM 字節碼直接轉換為VM 的字節碼，更有效率地實現了操作碼級別的等效性，但大量自訂程式碼的引入可能在長期偏離EVM；

zkSync 則建立了自己的VM (SyncVM)，並基於暫存器定義了自己的代數中間表示(AIR)，然後建構了一個專門的編譯器來將Yul（一種中間語言，可以編譯為不同EVM 版本的字碼，認為是較低級別的Solidity）編譯成LLVM-IR，然後將其編譯成自定義VM 的指令，從而實現了Solidity 級別的兼容，但其無法直接使用現有的以太坊工具，語言之間的轉換也可能需要重新審計程序；

StarkNet 則放棄EVM 相容，直接使用自己的低階語言(Cairo) 來執行自訂智慧合約VM (Cairo VM)，來獲得極致的ZK 效率。

相較於上述專案的解決方案，ZKM 選擇了一條更具包容性的道路：zkMIPS。

MIPS，全稱為”Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages”，是一種設計簡潔的微處理器指令集，始於1985年。

MIPS 的基本原則是將複雜的微處理器指令簡化至最基本形式，這樣做不僅提高了處理速度，還降低了執行程序時的複雜性。

在zkMIPS 系統中，這種指令集被用來實現程式到ZK證明的轉換。

zkMIPS的實作過程如下：

• 程式到MIPS 的轉換：首先，高階程式語言（如Solidity 或Rust）所寫的智慧合約或程式被編譯成MIPS 指令集。這一步是將較高層級的抽象轉換成可以在硬體層級執行的具體操作。

• 產生ZK 證明：隨後，這​​些MIPS 指令被用來產生對應的零知識證明。由於MIPS 的簡化特性，這一步驟在計算上更為高效，可以更快地產生證明而不犧牲安全性。

zkMIPS的優勢

• 相容性：zkMIPS 不僅支援EVM 相容的Solidity，還能支援如Rust 和Move 等其他主流開發語言。這使得zkMIPS 能夠服務更廣泛的區塊鏈開發生態系統，從而帶來更多的應用可能性。

• 成本效益：由於MIPS 指令集的高效性，zkMIPS 在產生零知識證明時能顯著降低運算成本，增加了系統的整體永續性。

• 遞歸證明：zkMIPS 支援遞歸證明，可以將多個證明聚合成一個更易於管理的單元，這在提高系統可擴展性方面至關重要。

實際上，MIPS 的優勢已經被Optimism 等專案整合。 Optimism 的Cannon 機制是將執行過的程式轉換成MIPS，以便在執行過程被挑戰時更簡單有效率地找出錯誤和重新執行。

Metis 也跟進了這一趨勢，將Cannon 整合到其生態系統中，這也進一步驗證了zkMIPS 技術的實用性和效率。

去中心化Sequencer：去中心化與永續性

除了使用Hybrid Rollups 來綜合OP 和ZK 的優點之外，Metis 還積極推進去中心化Sequencer 的落地，為Rollup 樹立去中心化的表率。

在傳統的Rollup模型中，單一的Sequencer 雖然能有效處理交易和數據，但也集中了極大的權力，可能導致多種風險：

• 操作風險：如果sequencer發生故障或遭受攻擊，整個系統的交易處理將會被阻斷。

• 審查風險：sequencer有能力選擇性地處理或拒絕交易，這可能限制使用者存取特定的去中心化金融（DeFi）協議或服務。

• 操縱風險：在交易排序中，sequencer可能優先處理自身的交易，透過提高交易費用來獲取不正當利益，即最大可提取價值（MEV）。

為了解決上述問題，Metis 設計了一個去中心化的Sequencer 池，該池由多個Sequencer 節點組成，共同完成交易的聚合、排序和執行。這項設計確保了系統的公正性和透明度：

• 共識機制：超過三分之二的Sequencer 節點必須就每個新區塊的狀態達成共識，之後才能將交易批次提交到以太坊主網（L1）。

• 多方計算（MPC）簽章：在交易批次提交到L1之前，透過MPC簽章驗證批次的真實性，確保資料的正確無誤。

去中心化Sequencer 的優勢：

• 增強安全性：透過多個節點共同決策，降低了單點失敗的風險，增加了網路的穩健性和安全性。

• 降低審查和操縱的可能性：多個Sequencer 的存在使得單一節點難以操縱或審查交易，保護了使用者的交易自由。

• 穩定性與冗餘：系統支援Sequencer 的平滑輪換，最小化了故障或中斷的影響，提高了整個網路的穩定性。

在Metis 的去中心化Sequencer 模型中，每個節點都由幾個關鍵元件組成：

• L2 Geth（包括OP-Node）：負責交易排序和區塊組裝。

• 適配器模組：作為與其他外部模組（主要是PoS節點）互動的中介。

• 批次提交者（Proposer）：負責建立交易批次並在獲得多個Sequencer 的認可後提交到L1。

• PoS節點：在以太坊、共識和Metis 層之間進行協調，確保資產的安全鎖定並獎勵驗證者。

• 共識層：包含一組與以太坊主網並行運行的Tendermint PoS 節點，確保操作效率而不妨礙主網的進程。

（資料來源：https://ethresear.ch/t/pos-sequencer-pool-decentralizing-an-optimistic-rollup/16760）

透過這種設計，Metis 的去中心化Sequencer 池不僅提高了交易處理的公正性和透明度，還透過分散權力來增強了網路的安全性和穩定性，這些都是建立可信和可持續區塊鏈生態系統的關鍵要素。

總結與展望

Metis 在技術和理念上的優勢為未來的進一步發展打造了堅實的基礎。其基於zkMIPS 的Hybrid Rollups 有望能夠為ZK-Rollup 解決相容性的問題，從來帶來更多樣化的開發者生態；

對於去中心化Sequencer 的推進則展現了團隊追求去中心化的願景。隨著Metis 的生態不斷成熟，我們有理由相信Metis 會在未來的L2 競爭中成為持續奔跑的黑馬，為用戶和開發者創造源源不絕的價值。