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：NateWilliams&PauEscrich，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，AragonLabs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Layer2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，AragonLabs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。

Aragon宣布暂时将Aragon DAO更名为Aragon Grants DAO:5月12日消息，Aragon协会发布澄清公告表示： 1. 金库目前由作为其托管人的 AA（Aragon协会）控制；2. AA 正在逐步将国库和核心基础设施转移到 Aragon DAO 以降低风险；3. 作为非营利组织，AA 有责任确保财政部实现其目标，建立去中心化的治理基础设施。此外，暂时将 Aragon DAO 更名为 Aragon Grants DAO，向 “无风险价值(RFV)攻击者”传达的信息非常明确：从协会发送到 DAO 的任何更多资金都用于建设者。

前天报道，Aragon协会取消ANT代币持有人投票权，以应对Arca等投资者对其发起的“51%攻击”。dForce创始人指责Aragon团队通过“重新调整DAO劫持协议金库”。[2023/5/12 14:59:44]

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:

免许可；

抗审查；

能够在以太坊上绑定结果；

不产生gas手续费的投票者；

数据：ParaFi Capital于2小时前将2000枚MKR转至Coinbase:金色财经报道，据SpotonChain数据显示，被标记为ParaFiCapital的地址于5小时前解锁5000枚MKR，并2小时前将其中2000枚MKR（约合143万美元）转移至Coinbase。

ParaFi Capital是2020年MakerDAO的投资者之一。他们曾于2021年和2022年通过Coinbase平台和Gensis Trading OTC囤积17,000枚MKR（当时的价格为2,922美元）。[2023/4/20 14:15:45]

免于代币跨链；

尽可能简单；

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:

没有用户匿名：投票可以绑定到一个以太坊地址；

并非没有收据：购买选票是可能的；

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；

对中继者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在指定的区块高度上成为此进程的普查根。任何持有给定代币的人都可以通过提供代币余额的MerkleProof证明来证明他们的资格。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。

ParaSpace：安全补丁审核与测试已完成，3月25日前将分阶段重启协议:3月20日消息，NFT借贷协议ParaSpace发推称，安全补丁的审核与测试现已完成，以便在主网上重启协议时确保用户资产安全。提现时间锁合约正在完善中，将在未来几天进行审核与测试。ParaSpace团队决定分阶段重新开放协议，将优先考虑还款、供应、清算、贷款、提款与时间锁的增强。团队预计所有平台功能将在3月25日之前上线。平台第一阶段的还款功能已经上线，希望在清算仍暂停的情况下为用户提供机会来偿还债务。

团队将开始为用户手动认领与复利APE池中的APE质押奖励，直到协议上线。仅在APE池中拥有APE的用户在分阶段重新开放期间仍能获得自动复利的收益。[2023/3/20 13:14:48]

存在的潜在的问题是，理论上计算结果的zk-SNARK证明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：

超跑租赁公司Classic Parade推出加密支付服务:2月22日消息，英国超跑租赁公司Classic Parade推出加密货币支付服务。客户现在可以选择以比特币、以太坊或英镑支付28个豪华品牌的100多辆超级跑车。在伦敦、曼彻斯特和爱丁堡的展厅里，有一款售价240万英镑的布加迪凯龙（Bugatti Chiron），每天租金为20万英镑（220.75 ETH或11.696 BTC）。（Globe Newswire）[2023/2/22 12:20:38]

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(RecursiveLengthPrefix,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。

ParaFi向DeFi贷款协议Aave投资450万美元:金色财经报道，硅谷DeFi风险投资公司ParaFi已向DeFi贷款协议Aave投资450万美元。[2020/7/9]

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累加器→SNARK进行投票；

通过存储证明→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。

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。

中继者

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。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。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：

上传的结果的总和被认为是有效的，奖励将在协调者和包含更多投票的参与者之间分配。

任何人调用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；

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

舞弊证明2：908822

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：

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:

证明BabyJubJub密钥是从Secp256k1密钥派生出来的。

验证投票签名本身。

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。

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。

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。

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。

在网络级别的投票协议中嵌入隐私和混合。

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。

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。

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