OP Succinct：OP Stack + Succinct SP1 zkVM

1. 引言

OP Succinct：

• OP Stack + Succinct SP1 zkVM
• 主要功能：将ZKP集成到OP Stack的模块化架构中，将OP Stack Rollups转换为fully verified ZK Rollups
• 致力于使用Rust和SP1，在OP Stack内部署Type-1 zkEVM（fully Ethereum-equivalent）
• OP Succinct Proposer：
  • 可并行生成proof
  • 做proof aggregation和verification
• 由 ZKP 确保的快速最终性——证明延迟可以在几十分钟的数量级上，这比标准乐观rollup的 7 天欺诈证明窗口有了显着的改善。使用ZK proofs来缩短交易finality时长，消除对扩展欺诈证明窗口的需要。
  • 现有OP Stack系统依赖于“7天欺诈证明窗口期”，若有争议，会导致交易延迟。
• 具有成本效益的证明， 平均每笔交易的成本低至十分之一美分。可大幅降低交易开销。
• 为rollup团队提供出色的开发体验，具有无限的自定义（在 Rust 中）和易于维护的特性。
• 开源代码实现见：https://github.com/succinctlabs/op-succinct（Rust+Go）
• 2024年10月，Conduit平台宣布支持OP Succinct Rollup部署。Conduit的Conduit Marketplace，旨在为Rollup团队提供一站式集成解决方案。

OP Stack的四大组件为：

• 1）op-geth：从L2用户那收集交易，并基于这些交易生成和执行区块。
• 2）op-batcher：打包L2用户交易并将其提交到L1
• 3）op-node：从L1读取batch数据，并驱动op-geth以non-sequencer模式来做state transition。
• 4）op-proposer：定期发布output roots到L1，捕捉L2状态并促进取款。

其中：

• op-geth和op-node是节点相关组件
• op-batcher和op-proposer是sequencer相关组件
• op-proposer对于固化state transition至关重要，会将L2的updated state的Merkle root写入到L1的L2OutputOracle合约。这些output proposer在获得授权之前必须经过7天的欺诈挑战期，以促进潜在的争议和挑战，从而提高网络的可靠性和问责制。

OP Succinct 是Succinct Labs 与 OP Labs 密切合作开发的。从第一天起，OP Labs 团队就将 OP Stack 构建为模块化，并支持各种有效性机制（而不仅仅是乐观故障证明）。

作为OP Stack开源计划的一部分，最近开发了Kona（https://github.com/anton-rs/kona（Rust））：

• OP Stack rollup状态转换函数 (STF) 的 Rust 实现。

借助 Kona 和 SP1，能够编写一个简单的 SP1 程序（少于 500 行代码），以生成 OP Stack 的 STF 的零知识证明 (ZKP)。

2. OP Succinct架构

OP Succinct中包含如下四大组件：

• 1）range program：处理batch blocks的program，以Rust编写并设计为在SP1 zkVM内运行。
• 2）aggregation program：聚合源自range program的proofs，以降低链上验证开销，也是以Rust编写并设计为在SP1 zkVM内运行。
• 3）OP Succinct L2 Output Oracle：为包含一组L2 state outputs的Solidity合约，其中每个L2 state output都是对L2链状态的commit。该合约存在于原始Optimism系统内，但需修改为使用proof verifications来作为认证机制。
• 4）OP Succinct Proposer：观察发布到L1的transaction batches，并管理range program和aggregation program的proof生成。

现有OP Stack rollup升级到Type-1 zkEVM rollup，仅需包含如下2步：

• 1）部署ZK L2OutputOracle.sol合约
• 2）启动OP Succinct proposal 服务
  

3. 结合 OP Stack、Rust 和 SP1 实现以太坊扩容

在 OP Succinct 之前，创建 ZK Rollup 非常困难，更不用说Type-1 zkEVM Rollup（即完全兼容 EVM）。如今，大多数 zkEVM 都不支持标准预编译（如 ecpairing），并且为了使状态根计算更兼容 ZK，它们会使用自定义数据结构。但对于 Rollup 团队来说，更糟糕的是，这些 zkEVM 需要专门的密码学专业知识，因此很难定制和维护。

OP Succinct 解决了所有这些问题。它结合了 OP Stack、开源 Rust 生态系统和 SP1，提供了兼具所有优点的 type-1 zkEVM：

• 快速终结
• 低廉的成本
• 和出色的开发人员体验。

以太坊扩容的最终目标是每个 rollup 都是 ZK rollup。在这个世界上，用户将不再需要等待 7 天才能从 rollup 中提取资金，他们将拥有跨生态系统的无缝互操作性，资本效率和可验证性将显著提高。有了 OP Succinct rollup，可以获得所有这些好处，并为 rollup 团队提供流畅的开发人员体验，允许自定义和维护。

其中SSZ 是指以太坊beacon chain所采用的序列化方法：Simple Serialize。

4. SP1 使 EVM rollup验证变得快速且经济高效

4.1 证明成本为每笔交易 0.5-1 美分（到今年年底将下降 5-10 倍）

计算了 OP Succinct 集成在三个 OP Stack 链上的证明成本。请查看以下结果：

Chain	Avg proving cost / tx	Avg proving cost / block	Avg # tx / block	Avg gas / block	Block Range
Base	0.61 cents	62 cents	103.4	23.9M	19,299,000 to 19,299,500
OP Mainnet	1.34 cents	21 cents	15.6	5.7M	124,900,000 to 124,900,500
OP Sepolia	1.11 cents	5.8 cents	5.2	1.9M	16,800,000 to 16,800,500

注意：

• Base 上每笔交易的平均证明成本更便宜，因为 Base 上每笔交易的 gas 消耗量是 OP Mainnet 和 OP Sepolia 每笔交易 gas 消耗量的 60%。
• 此外，每个区块的证明开销是固定的，该开销在 Base 上更大的交易集合中摊销（Base 的 TPS 为 50 TPS，而 OP Mainnet 的 TPS 为 8 TPS）。
• OP Mainnet 和 OP Sepolia 每笔交易的 gas 消耗量相似，但 OP Mainnet 每笔交易的成本更高，因为 BN 预编译经常出现，相对于它们产生的 ZK 证明成本而言，BN 预编译的价格较低。

可使用基准测试 CLI工具在任何 OP Stack 链（使用以太坊进行 DA）的任意区块范围内计算这些数字。通过对一系列区块（取自链本身）运行 SP1 STF 程序来计算证明成本，获取执行该程序的 RISC-V 循环计数，然后计算在商用 GPU 硬件上需要多少证明时间。据此，计算出每笔交易的摊销证明成本。
详细的基准测试结果可参看：

• OP-Succinct Performance Metrics [EXTERNAL]

为了说明成本，Base 和 Optimism 的 30 天平均交易费分别为2 美分和 5.4 美分。通过使用 OP Succinct，用户只需为每笔交易额外支付半美分即可获得 ZK 的所有好处（其他链上成本，如在以太坊上发布 calldata/blobs 和验证证明，在常规 OP Stack rollup 和 OP Succinct rollup 之间保持不变）。SP1 的快速性能已经使完全 ZK 证明的 OP Stack rollup 的成本变得切实可行。但是，预计到2024年年底这些成本将下降 5-10 倍。

4.2 快速生成证明，实现快速终结

OP Succinct Rollups 具有快速的最终确定性，目前每 1 小时在链上提交一系列区块的证明（与 OP 主网相同，尽管 rollup 操作员可以将其配置得更低）。考虑到集群足够大且链上提交更频繁的证明生成延迟，OP Succinct Rollups 可以轻松在几分钟内完成最终确定。这允许用户在证明在链上结算后立即根据此最终状态根进行提款，而不必像传统 OP 堆栈 Rollups 那样等待 7 天。

OP Succinct 提议者服务架构： OP Succinct rollups 中的提议者服务会为一系列区块（而非单个区块）生成证明，以分摊从 L1 获取状态所需的计算开销。区块范围的证明是并行生成的，然后每小时聚合并作为单个 ZKP 提交到链上。

4.3 5-10 倍性能提升即将到来

性能指标仅显示成本和延迟的一个时间点视图。但是，重要的是要意识到 SP1 的性能每个月都在迅速提高。自2024年2月以来，使用 SP1 证明以太坊区块的成本已从平均每笔交易 1 美分降至 0.1 美分，降幅达 10 倍。

通过结合 SP1 性能改进以及对 OP Stack 和 Kona 程序的协议和软件优化，预计到2024年底 OP Succinct rollups 的性能将提高 5-10 倍。在性能路线图部分讨论了对 SP1 的优化，其中包括下一代递归系统、优化 2 阶段prover和更好地计算SP1的 STARK。

Succinct团队目前有很多关于优化 OP Stack 的协议和 Kona 程序本身的想法，以使程序在 SP1 中更容易证明（即更少的 RISC-V 周期），包括：

• 将随机数添加到 OP Stack 存款中，从而无需在 STF 中执行派生时遍历所有 L1 区块收据
• 在发布新一批交易时，为链上的所有 blob 承诺维护增量 Merkle 树
• 对 Kona 进行分析并从不必要的内存复制和冗余循环中删除 RISC-V 循环（最近的一些优化减少了 30% 的循环！）

参考资料

[1] YBB Capital 2024年9月25日博客 The Evolution of OP Stack: OP Succinct Unlocks ZK Rollup Potential
[2] xpara 2023年6月22日博客 OP-Stack: Most Simple Framework to Build Your Blockchain
[3] Optimism docs OP-Challenger Explainer
[4] Succinct团队2024年9月10日博客 Introducing OP Succinct: Full Validity Proving on the OP Stack