通證通研究院 × FENBUSHI DIGITAL 聯合出品
文：宋雙傑，CFA；田志遠；王澤龍；金佳豪
特別顧問：沈波；Rin
導讀
鏈下計算（Offchain Computation）是區塊鏈鏈下擴容的解決方案之一，目前已經提出了多種鏈下計算方案並且正在逐步落地。
摘要
當前區塊鏈普遍面臨鏈上資料處理能力不足的短板，制約了區塊鏈進一步應用的可能性。以此為背景，鏈下計算作為擴容方案之一被提出，其基本思路是將原本置於鏈上處理的各類事務，移至鏈下處理，而鏈上僅保留驗證的部分，以此間接提升鏈上的資料處理能力。
鏈下計算主要包括可驗證的鏈下計算、“飛地型”鏈下計算、鏈下安全多方計算、激勵驅動型鏈下計算四種方式。它們各自存在優劣勢，有些方案較為新穎，較少甚至沒有專案部署，如zk-STARKs、Bulletproofs等，有些方案則已經過了大型專案的檢驗和認可，如zk-SNARKs。
可驗證的鏈下計算涉及到兩類角色：驗證者與證明者，前者位於鏈上，後者位於鏈下。
“飛地”型鏈下計算基於TEE（可信執行環境，用於確保機密性和完整程式碼執行）。在該計算模式中，鏈下計算專門於可信的“飛地”中進行。
安全多方計算可以實現在各方均不知道完整資料內容的情況下，透過聯合它們對各自部分資料的計算結果，得到最終結果。
激勵驅動型鏈下計算假設參與計算的各方都是理性的經濟人。該模式主要涉及到兩類角色：處理計算任務的求解者、重新計算求解者所處理過的計算任務並檢驗其是否有誤的驗證者。但在一些方案中會引入更多的角色。
目前，多種鏈下計算方案已經取得進展或正在落地，鏈下計算作為區塊鏈的擴容方案之一，未來將獲得進一步的發展和應用。
風險提示：技術進展不及預期、鏈上鍊下通道安全
目錄
1 鏈下計算，鏈上驗證
2 鏈下計算的四種主要模式
2.1 可驗證的鏈下計算
2.2 “飛地”型鏈下計算
2.3 鏈下安全多方計算
2.4 激勵驅動型鏈下計算
3 尚在征途，逐步落地
正文
鏈下計算是區塊鏈鏈下擴容的解決方案之一。
1鏈下計算，鏈上驗證
新交易的發生導致鏈上的“狀態”發生了改變，區塊鏈可以被看作是處理一個“狀態轉換”函式的機器。鏈下計算是一種將計算“狀態轉換”函式的過程由鏈上轉移至鏈下，而後相應的結果交由鏈上驗證的模型。
首先，任意鏈下節點從區塊鏈中檢索相關的狀態作為輸入。與鏈上對資料完全公開的處理模式不同，鏈下計算過程中的相關資訊可以是公開的，也可以是私密的。
基於輸入值，鏈下的節點計算出“狀態轉換”函式的結果，而後將其傳送至鏈上。公開的輸入無需隱藏計算過程，而私密輸入的計算過程則需要保持私有。鏈上對該函式值進行校驗，如果函式值正確，則其被記入鏈上的狀態。
為什麼需要引入鏈上驗證的環節呢？因為鏈下計算“狀態轉換”函式並提交結果時，可能存在造假或者欺詐的情況，引入鏈上的驗證者（Verifier）則可以有一個校正的B計劃。
2鏈下計算的四種主要模式
2.1 可驗證的鏈下計算
要實現可驗證的鏈下計算模型，有三種演算法可以作為路徑：
（1）概念
這一模式涉及到兩類角色：驗證者與證明者（Prover），前者位於鏈上，後者位於鏈下。該模式的運作過程同鏈下計算的基本定義類似，在此不贅述。
（2）主要特性
非互動性。證明者能夠在一條資訊中（即一次鏈下到鏈上的傳輸過程），使驗證者信服。互動性強的方案將產生多筆區塊鏈事務，增加區塊鏈網路的負擔並抬高驗證成本。
低廉的驗證成本。特殊情況下，如對機密性的資訊進行檢驗時，相對較高的驗證成本是可接受的；否則正常情況下，鏈下計算+鏈上驗證的成本應該低於純粹的鏈上計算成本。
（3）實現情況
要實現可驗證的鏈下計算模型，有三種演算法可以作為路徑：
1）zk-SNARKs
zk-SNARKs是零知識證明這一演算法的變體，其名稱是：Zero knowledge（零知識）、Succinct（簡要性）、Non-interactive（非互動性）以及Arguments of Knowledge（知識論證）、Proofs（證明）這些詞彙的複合縮寫。
相比零知識證明這一“本體”，zk-SNARKs使得證明者和驗證者間互動極少甚至沒有，並且其驗證成本較低，計算安全性相對較高。
目前，zk-SNARKs依賴於證明者和驗證者之間的初始化可信設定——這意味著需要一組公共引數來構建zk-SNARKs，從而建立私有事務。這些引數被編入協議中，是證明交易有效性的必要因素之一。其潛在的問題是，引數通常由小部分群體制定，可能存在信任問題。此外，在理論上，如果證明者擁有足夠的算力，就可以提交假證據，影響整個系統。這是為什麼量子計算機被認為是這種演算法的威脅的原因。
目前部署zk-SNARKs演算法的知名專案有Zcash、Loopring等。
以太坊也有望部署zk-SNARKs。2019年1月份時，以太坊基金會與初創企業Matter在以太坊測試網路上，聯合釋出了使用zk-SNARKs的側鏈擴容方案。
2）Bulletproofs
該演算法是由倫敦大學學院的Jonathan Bootle與斯坦福大學的Benedikt Bunz於2017年末共同提出，它屬於非互動性的零知識證明可驗證計算方案，相較zk-SNARKs，它的驗證成本更高一些，但是不需要可信的初始設定。
Monero是主要加密通證中率先部署Bulletproofs這一演算法的。據Monero官網所述，2018年夏季，其社羣釋出了針對Monero部署Bulletproofs的審計報告，且Bulletproofs率先在Monero Stagenet上部署，至2018年10月，Monero主網完成了Bulletproofs的部署。
據Monero Research Lab研究人員Sarang Noether的說法，自Bulletproofs部署以來，Monero上事務的平均體積下降了80%，交易費用也顯著下降。
3）zk-STARKs
該演算法由以色列理工學院的Eli-Ben-Sasson教授創造。它是zk-SNARKs的替代品，並且被認為是一種更高效的演算法，但囿於其難以部署的現狀，未來是否會有更高的價效比尚未可知。
與Bulltetproofs類似，zk-STARKs不需要初始化可信設定——因為它使用抗碰撞雜湊函式（collision-resistant hash functions）進行更精簡的對稱加密，並且該演算法消除了zk-SNARKs中存在的數論假設——後者執行成本高且易受到量子計算機的攻擊。
但是相比於zk-SNARKs，它的缺點在於證明可能會更復雜，從而限制了其潛在效能的發揮。
2.2 “飛地”型鏈下計算
（1）概念
這一計算模式基於TEE。在該計算模式中，鏈下計算專門於可信的“飛地”中進行，“飛地”的每一條訊息都可以被可信的外部實體認證並出具證明。啟動計算時，公開的輸入值從區塊鏈上獲得，而私密的輸入值則由鏈下節點選擇性地加入進去。輸出結果的完整性透過鏈上驗證“飛地”的證明進行驗證。一旦驗證成功，新的狀態會被記入區塊鏈。
（2）實現情況
目前Enigma與Ekiden等專案嘗試了該方案。
在Enigma專案中，計算既可在鏈上執行，也可在單獨的鏈下“飛地”中執行。Enigma的特定指令碼語言允許開發者將目標項標記為私密的，進而強制要求以鏈下模式進行計算。
與Enigma相反，Ekiden不支援鏈上計算，區塊鏈僅被用於持久的狀態儲存。程式碼和私有輸入值由僅同“飛地”通訊的鏈下客戶端提供，一旦計算完成，“飛地”將結果直接反饋回客戶端，與此同時，狀態被記錄到區塊鏈中。
2.3 鏈下安全多方計算
（1）概念
安全多方計算可以實現在各方均不知道完整資料內容的情況下，透過聯合它們對各自部分資料的計算結果，得到最終結果（等於利用完整資料進行計算的結果）。
鏈下安全多方計算的實現效果也是如此，區別之處在於引入了鏈上、鏈下的概念：
首先，隱私資料被分為多份，並以私密輸入值的形式分佈在一眾鏈下節點間。區塊鏈當前的狀態值可被作為公共輸入值。然後鏈下節點計算各自部分的鏈下狀態轉換值。
鏈下節點發布各自結果並進行組合，然後將其置於鏈上。
鏈下安全多方計算協議需要滿足的一個特性是公共審計，具體的一個例證是，不參與上文過程的審計者可以校驗計算結果的正確性。由此，計算結果的正確性可被鏈上審計者在驗證階段校驗，或由鏈下審計者透過評估鏈上審計者的審計跟蹤（系統活動的流水記錄）來校驗。
（2）實現情況
安全多方計算的實現手段一般來說可分為三類：
1） 基於Yao混淆電路的構造方法；
2） 基於秘密分享的構造方法；
3） 基於同態加密的構造方法。
目前已有較多專案嘗試使用安全多方計算協議，如Defi、Enigma等。
2.4 激勵驅動型鏈下計算
（1）概念
該模式假設參與計算的各方都是理性的經濟人（即參與方以最小的代價最大化自己的利益）。該模式主要涉及到兩類角色：處理計算任務的求解者（Solver）、重新計算求解者所處理過的計算任務並檢驗其是否有誤的驗證者。但在一些方案中會引入更多的角色。
（2）實現情況
激勵驅動型鏈下計算中最知名的解決方案莫過於TrueBit，其基本原理為：
使用者提出計算需求並支付佣金，如果某個鏈下的求解者認為佣金價格符合預期，則進行計算並公佈結果。此外，求解者也需要提供一筆保證金。
相對於使用者與求解者而言的第三方——驗證者（同樣位於鏈下），可重新執行上述計算並檢驗其是否有誤；如若發現求解者給出錯誤結果，則可以發起挑戰，提交到鏈上仲裁。同樣地，驗證者需要提供一筆保證金。
透過鏈上的智慧合約，求解者與驗證者共同進行一個驗證遊戲，而使用者置於鏈上的程式碼則被用於驗證求解者、驗證者雙方答案的真偽，正確一方獲取佣金，另一方則需支付整個驗證過程所產生的gas費用。
TrueBit還設計了累積獎金（Jackpot）機制，用以維護驗證者生態環境。系統會隨機選擇一些交易，要求求解者同時提交正確答案和強制錯誤（Force error，即錯誤的答案），二者之一會上鍊請求驗證，當強制錯誤被驗證者驗證並挑戰時，求解者無需遭受懲罰。所有事務的佣金將被抽取一小部分，匯聚成獎金池，用以在累積獎金機制中支付給挑戰成功的驗證者。
3尚在征途，逐步落地
在可驗證的鏈下計算的三種實現中，由於初始化可信設定的存在，zk-SNARKs的計算成本相對較高，但是在初始化可信設定完成後，其證明難度與驗證的複雜性都很低；zk-STARKs與Bulletproofs兩種演算法不需要初始化可信設定，計算成本相應較低，但證明難度與驗證複雜性卻較高，這是其應用的掣肘所在。
從安全性方面來看，激勵驅動型鏈下計算依賴於系統中至少有一位誠實的參與者的假設，惡意的驗證者能夠用提交錯誤答案的方式挑戰每一個計算步驟，讓所有任務經過鏈上的“挑戰”環節，影響系統整體的速度與安全效能。
“飛地”型鏈下計算的缺點是其依賴於TEE。如英特爾的SGX（Software Guard Extensions，軟體保護擴充套件），一種允許Inter處理器建立一個“小黑匣”作為TEE的技術，曾在駭客攻擊前失去效用。
目前，多種鏈下計算方案已經取得成效或正在落地，如Monero成功部署Bulletproofs後事務體積顯著降低；以太坊在測試網使用zk-SNARKs，TPS有望達到500；首個致力於部署zk-STARKs的專案StarkWare也已在測試當中。
注：通證流通市值、Twitter關注人數資料截至2019年7月20日。
鏈下計算正在進入各大專案的視野，未來將獲得進一步的發展和應用。憑藉各種優異的特性，鏈下計算成功吸引了各方注意，例如Zcash和Menero分別部署了zk-SNARKs和Bulletproofs，以太坊核心開發者對zk-SNARKS在擴容方面的表現表示認同，未來使用該技術的鏈下計算擴容方案或將推及整個以太坊。
附註：
因一些原因，本文中的一些名詞標註並不是十分精準，主要如：通證、數字通證、數字currency、貨幣、token、Crowdsale等，讀者如有疑問，可來電來函共同探討。
