Aragon最新研究：通过zk-Rollups进行安全的链下投票

本文来自Aragon，原文作者：Nate Williams & Pau Escrich，由 Odaily星球日报译者 Katie 辜编译。

本文提出了一个概念，利用zk-SNARKs来实现治理的下一个前沿方向：无gas费+经过验证+绑定的链上治理。

背景

作为领先的数字治理项目，Aragon Labs在研究和创新治理模式方面投入了大量资金。我们已经确定了各种显示出潜力的Layer 2治理解决方案，但也存在一些技术问题。 我们已经能够在我们专门的投票区块链——Vochain上实现无gas手续费的投票过程，并设计和实现了一种使用以太坊存储证明（Ethereum Storage proof）的方法，将基于ERC-20代币的统计从以太坊跨链到Vochain。不过到目前为止，将跨链结果转到以太坊的可能性一直是一个开放性的研究问题。

为此，Aragon Labs一直在进行一项新设计的实验， 该设计将允许链下投票过程的结果跨链到以太坊，而不使用主观预言或任何其它可信组件。

该提议背后的核心创新是：我们所知的任何系统都无法在链下组织投票过程，并基于该过程的结果在以太坊上棉信任地执行操作。此建议的用例可能包括基于结果执行绑定操作的所有治理流程，例如（但不限于）对资产分配或智能合约更改的DAO投票。这些治理流程目前必须在以太坊主网上进行，这会给每个投票者带来大量的gas费用。或者投票可以在链下进行，但要相信外部组件会准确、诚实地将结果转发回以太坊。

我们的提议将允许完全在链下进行的投票过程，在以太坊上以与链上治理相同的完整性执行结果，成本仅为链上治理的一小部分。

投票协议概念验证要求

在设计技术解决方案之前，我们定义了研究方案的参数:

投票协议的要求是:

1. 免许可；
2. 抗审查；
3. 能够在以太坊上绑定结果；
4. 不产生gas手续费的投票者；
5. 免于代币跨链；
6. 尽可能简单（没有侧链）；
7. 可与ERC-20 / ERC-777和NFT一起用于投票。

作为概念验证设计，我们接受以下限制:

1. 没有用户匿名：投票可以绑定到一个以太坊地址；
2. 并非没有收据：购买选票是可能的；
3. 不是为处理全国范围的选举而设计的：只针对DAO或ERC-20 / NFT持有者。因此，应该设置最大普查规模（取决于性能和成本）；
4. 对中继者（relayers）没有明确的激励模式。

理想的提案

根据该提案的设计，当创建一个新的投票过程时，组织者向以太坊提交一个交易，指定ERC-20代币的合约地址，用于投票者普查。此地址的存储根哈希（Storage Root Hash）在指定的区块高度上成为此进程的普查根（census root）。任何持有给定代币的人都可以通过提供代币余额的Merkle Proof 证明（通过EIP-1186）来证明他们的资格。然后，他们可以通过将证明和签名发送到zk-SNARK汇总中继者进行投票，后者将计算最终结果的证明。

存在的潜在的问题是，理论上计算结果的zk-SNARK证明（协调者）的参与者可以通过决定排除投票来审查结果。我们通过允许任何人（不仅仅是协调者）提交新的投票来解决这个问题：如果他们检测到协调者没有将其包含在内，任何用户都可以生成并提交包含他们投票的汇总。

我们的提案将运用zk-SNARKS于以下目的：

• 验证一个地址之前没有通过默克尔树（Merkle Tree）累加器投票；
• 通过存储证明验证用户拥有代币；
• 计算一批选票的部分结果；
• 验证选票签名。

根据上述模式，我们可以发现两个主要问题：

问题1：ERC20存储证明验证对SNARK不友好

ERC-20存储证明在SNARK中验证是非常复杂的。这部分是由于它们使用了递归长度前缀(Recursive Length Prefix, RLP)解析和多个Kecmack -256哈希验证，这两种方法在最先进的SNARK汇总技术中计算效率都很低。这个问题很难解决，所以目前我们使用optimistic验证来解决这个问题。

问题2：ECDSA / Secp256k1签名验证对SNARK不友好

我们可以用来验证用户签名的一种当前加密标准是ECDSA，该标准使用来自以太坊签名的BabyJubJub密钥，使用该签名作为原始私钥，允许用户恢复其地址。由于此方法依赖于用户签名，因此很容易受到恶意代理的攻击，这些代理会欺骗用户在他们的Web3钱包中对欺诈性交易进行签名。此漏洞存在于浏览器钱包用于签署交易的任何地方。一个潜在的解决方案可能是使用web地址作为派生路径来派生私钥。

另一个挑战是证明每个代币所有者的以太坊地址批准了BabyJubJub公钥，以便在投票过程创建的区块高度进行投票。我们通过一个“单例”智能合约来实现这一点，该合约将以太坊地址映射到BabyJubJub公钥，用户必须通过标准交易将他们的密钥添加到智能合约中。地址到密钥的映射可以通过optimistic的存储欺诈证明来实现。因为预计这些授权密钥将在不同的投票过程中使用多次，此解决方案还通过可重用设计解决数据可用性问题。

总之，我们可以在SNARK中处理大多数验证，但不包括：

• 确认一个地址之前没有通过默克尔树（Merkle tree）累加器→SNARK进行投票；
• 通过存储证明（Storage proof）→Optimistic验证用户是否有代币；
• 计算部分投票结果→SNARK；
• 验证投票签名→SNARK。

用户

• 创建一个源自以太坊签名的BabyJubJub密钥，并将其注册到投票者注册处（Voter Registry）智能合约。
• 检索其账户的投票信息和存储证明，在投票包上生成签名，并将其转发给一个或一组中继者（relayers）。

投票智能合约

注册投票进程，包括：ERC-20智能合约地址，ERC-20地址的槽位索引→平衡映射，投票进程启动块的状态根哈希，计算计票的进程参数。

通过zk-Rollup监听新投票的注册，SNARK将证明：

• 结果计算；
• 投票签名是由BabyJubJub密钥决定的；
• 保持投票累加器更新；
• 保持投票者名单的更新。

允许任何人质疑上次投票登记舞弊的证据。但必须具备以下条件之一:

• 存储证明，证明投票人的以太坊地址没有代币；
• 存储证明，证明投票人的以太坊地址没有链接到一个BabyJubJub密钥；
• 证明BabyJubJub密钥已经投票（该密钥在“已投票”的默克尔树中）。

中继者（Relayer）

• 阶段0：在以太坊上创建选举进程，并从可用中继器列表中选择一个中继器。选举组织者需要支付选举费用（奖励给协调者）。组织者提供EVM字节码，这些字节码需要在DAO智能合约的选举之后执行，具体取决于结果。
• 阶段1：投票开始。任何人都可以向所选的协调器发送投票包（可以使用HTTPs或libp2p传输）。协调器将选中的结果分批卷起来，构建一个zk-SNARK证明，将这个证明和结果上传到以太坊，收集用户投出的选票，验证它们，并将它们广播给其它中继者。
• 阶段2：检测未加入投票的协调者可以卷起自己的投票，并向投票智能合约发送zk-SNARK有效性证明。此外，如果他们检测到投票添加错误，他们可以发送欺诈证明，以证明之前添加的结果是无效的，产生该结果的协调者将被削减。
• 阶段3:当达到投票日期限制时：
  上传的结果（由协调者和任何第三方）的总和被认为是有效的，奖励将在协调者和包含更多投票（如果有的话）的参与者之间分配。
  任何人（通常是协调者）调用EVM字节码执行，使用最终结果作为输入。

线路和合约

zk-SNARK将汇总投票名单。zk-SNARK证明是基于给定的投票列表、普查根、选举标识符（electionId）和聚合结果而有效的。

zk-SNARK的输入:

• 哈希输入是为了减少SNARK验证的gas成本；
• 私人的选举标识符；
• 计算的投票结果；
• 当前的空符根（nullifiers root ）；
• 更新了的空符根；
• 批量中的投票数；
• 投票值和对应的BabyJubJub密钥签名。

用于上传协调这结果的智能合约功能调用的输入为：

• 选举标识符；
• 该批中投票者公钥的列表；
• 更新了空符根；
• 计算这批的投票结果；
• SNARK证明。

概念实施的证明

我们已经实施了最小可行性的智能合约和线路，从而检查解决方案的成本和可行性。该概念证明仅包括用户注册、投票汇总和舞弊证明验证。

我们的测试产生了以下gas成本：

• 用户密钥注册表部署：258536
• 注册：68956
• 投票部署：6673,159
• 新投票：25989
• 累计汇总：291801
• 舞弊证明1 ：574574（babyjubjub密钥未注册）
• 舞弊证明2 ：908822（账户ERC-20余额为零）

未来的研究

在这个研究的基础上，我们想更深入地探讨以下想法：

1. 通过SNARKs验证标准kecak / ECDSA / Sec256k1签名。我们相信很快，PLOOKUP将能够验证这些方案，这将带来两种可能性:
2. 证明BabyJubJub密钥是从Secp256k1密钥派生出来的。
3. 验证投票签名本身。
4. 在SNARK内部验证存储证明。我们认为这种复杂的线路可以很容易地通过一个zkVM集成，尽管成本可能是巨大的。我们担心以太坊客户端会退出存档节点，会优先考虑更高的gas费用限制，所以另一个研究领域是尝试使用EIP1186以外的方法进行存储证明。
5. 为了计算计数，嵌入一些操作码在zkVM中执行，使通用可编程投票线路可以运用。
6. 在浏览器中生成投票证明，通过批处理混合，并递归聚合结果，类似于zk.money 协议。这将增加投票过程的隐私。
7. 允许在浏览器级别以分布式方式计算SNARKs，即使它们的计算代价很高。这节省了对高可见性服务器的依赖，而且完全实现P2P，将所有权力赋予投票者。
8. 在网络级别的投票协议中嵌入隐私和混合。
9. 找到一个合理的、与以太坊2.0完全互操作的加密经济学模型。
10. 生成一个独特的证明，并可以很容易地验证。这为任何可编程L1和L2（无论是否是以太坊虚拟机——EVM）对任何以太坊投票结果做出反应打开了可能性。长期目标是能够在任何链上投票，并在任何其它链上验证结果。这可能成为某种通过SNARKs交叉rollup/链存储证明验证的黄金标准。