Layer2 證明系列（第一部分）——OP Stack 爭議證明：問題、解決方案與創新

概述

Layer 2 解決方案已成為應對 Layer 1 擴展性挑戰的關鍵途徑。本文系列專注於 L2 證明機制，深入解析爭議證明設計。爭議證明系統作為加密驗證工具，主要用於確認區塊鏈上的交易與運算結果，確保分散式帳本運作的安全性與完整性。

Optimistic Rollup 流程簡述

Optimistic Rollup 流程包含七個核心步驟，打造完整的交易驗證鏈路。用戶於 Layer 2 網路發起交易並直送至 L2 排序器，排序器依據自身維護的 L2 鏈副本執行交易，並產生反映帳本最新狀態的狀態根。

交易執行結束後，排序器將原始交易資料與新產生的狀態根一同提交至 Layer 1 區塊鏈。L1 智能合約收到資料後，進入指定挑戰期，期間任何鏈上參與者皆可質疑 L2 排序器所提交的交易或結果。此挑戰流程是保障系統安全、預防惡意行為不可或缺的環節。

挑戰期結束後，Layer 1 區塊鏈正式確認 L2 執行記錄。若排序器於挑戰期被確認有不誠信行為，將遭受懲罰，並重新計算狀態根以確保正確性，維護系統完整。

L2 安全性為何需要證明機制

爭議證明與挑戰制度是防範排序器不誠信風險的核心。透過加密證明，Layer 1 任何參與者均能獨立驗證 Rollup 交易與狀態根的正確性，無需重播全部交易紀錄。

Optimism 採用更長的挑戰窗口，系統各方——包括用戶及獨立驗證者——可於期間充分核查執行結果與狀態根。此機制賦予社群充足時間辨識並挑戰潛在欺詐提交，建構依賴經濟誘因與加密驗證的強大安全體系，無需信賴任何單一實體。

爭議證明與有效性證明

區塊鏈系統中存在兩種截然不同的證明機制，各自運作邏輯與取捨不同。有效性證明要求排序器在向 Layer 1 提交執行結果時，同時附上加密有效性證明。如此 Layer 1 任一節點可即時驗證結果，無需在 L2 鏈重播交易，但技術門檻高，常仰賴複雜數學及零知識證明。

爭議證明（亦稱故障證明）則假設排序器誠信，由挑戰機制保障準確性。參與者可於限定時窗質疑可疑提交，舉證責任轉移至挑戰者。若大多數提交屬誠信，此方法具備效率優勢。

爭議證明解決方案

爭議證明主要分為非交互式及交互式兩大類，各自架構特性與效能表現迥異。

非交互式爭議證明簡介

非交互式爭議證明在 Layer 1 直接重播 Layer 2 全部交易。此方案需強大基礎設施，讓 Layer 1 可執行 Layer 2 交易，並經由 Layer 1 驗證層核查 Layer 2 狀態變化。其核心挑戰在於：一、如何於 Layer 1 重播 Layer 2 交易；二、解決 Layer 2 與 Layer 1 狀態不一致問題，以達精確驗證。

Optimism 虛擬機（OVM v1）

為解決非交互式爭議證明中的狀態一致性問題，Optimism 協議引入多項前沿技術。Layer 2 定期生成狀態承諾，形成全球加密證明；Layer 1 驗證者確認鏈上資料可用性；Layer 1 驗證者於 Layer 2 上下文以 Layer 2 資料重播交易、核查執行結果；Layer 1 與 Layer 2 間以跨鏈通訊機制互動；激勵機制確保參與者誠信。

OVM 核心創新在於建立「容器」，讓 Layer 1 重播體驗如同於 Layer 2 執行。具體方法包括帳戶狀態預載（為 Layer 1 執行預備 Layer 2 帳戶狀態）、對涉及儲存與狀態存取的 EVM 位元碼進行客製化調整、於 Layer 1 部署智能合約以變更用戶合約位元碼、實現外部資料存取，以及調整 Solidity 編譯器輸出 OVM 位元碼。

OVM 簡析

雖然 OVM 方案創新，但也存在限制。改造合約位元碼編譯器增加開發複雜度，開發者需理解並適應非標準位元碼。操作碼以函式呼叫替代，程式碼膨脹，部署成本提升。函式呼叫本身消耗更多 Gas，使 OVM 交易費用顯著上升。同時，因 OVM 未完全最佳化，交易處理可能遇效能瓶頸。

Optimism 交互式爭議證明簡介

交互式爭議證明是機制上的重大創新，透過防禦方與挑戰方協同驗證狀態轉移有效性。相較傳統模式，交互式方案更有效率，雙方僅需聚焦分歧狀態，無需重播所有交易。

Optimism 現行開發（Cannon 專案）目標是在 Layer 1 僅用一條 MIPS 指令完成驗證，極大降低鏈上算力消耗。

Cannon 簡介

Cannon 專案著重多項創新：避免智能合約操作碼層級修改，規避 EVM 巢狀 EVM的複雜性；簡化 Layer 2 狀態存取機制，顯著降低鏈上爭議證明驗證成本。

Cannon 藉由多項關鍵功能達成目標。統一狀態存取由 preimage oracle 提供，允許以雜湊值為密鑰存取 Layer 2 狀態；不於合約層重播交易，而採 Geth 級重播，更貼近真實客戶端；鏈上驗證僅需一條 MIPS 指令，顯著減輕計算負擔；op-program 負責存取與產生 preimage 資料；爭議博弈機制支持防禦者與挑戰者協同定位問題指令。

Cannon 流程

Cannon 架構下，多組件協同運作：op-program 作為 preimage 資料存取的客戶端-伺服器架構，客戶端以 MIPS 指令集編譯，伺服器負責查詢並取得 preimage 資料。Cannon 本身為 MIPS 指令模擬器，包含 mipsevm 元件與鏈上智能合約。MIPS.sol 實現鏈上 MIPS 指令解譯，PreimageOracle.sol 提供 MIPS.sol 的 preimage 請求服務。

整體流程明確：MIPS 支援的 op-program 客戶端載入至 Cannon MIPS 模擬器，產生爭議證明初始狀態；mipsevm 從起點逐步執行並記錄存取及儲存 preimage 資料；挑戰者發現 Layer 2 Rollup 狀態與 Layer 1 不符時，啟動爭議博弈，防禦者與挑戰者共同以二分查找定位差異指令；最後準備爭議證明材料並提交於 MIPS.sol 鏈上驗證。

Optimism 交互式爭議證明的挑戰

Cannon 雖具多項創新，仍面臨挑戰。採用 MIPS 指令集主要因 Go 語言原生支援、解譯器易於實作與架構簡明，但專屬指令集提升學習門檻。Go 語言執行時可能遭濫用而產生安全風險，Cannon 已修補多項 Go 執行時函式（如停用垃圾回收），高記憶體場景下仍可能發生溢位。

用戶體驗方面，爭議證明挑戰窗口為最大瓶頸。窗口較長，用戶須等待提款，時間敏感型應用受影響。此外，Layer 1 智能合約及鏈下組件安全性亦需持續關注與審核。

替代方案

區塊鏈社群持續探索爭議證明替代方案，部分設計聚焦於零知識爭議證明。此機制有望縮短甚至消除傳統爭議證明的交互流程，實現更快終局與更簡化操作，但在算力消耗與生成延遲上需權衡。

L2 證明機制進展

隨著主流 Layer 2 區塊鏈持續導入 OP Stack 技術，專案團隊正推動爭議證明機制升級，包括強化鏈下基礎設施、縮短挑戰窗口提升用戶終局速度、透過稽核與測試完善鏈上合約，並探索更適合不同產業及社群的創新業務模式。

結論

本文整理了Layer 2 爭議證明系統的發展歷程，涵蓋 OVM 架構設計與 EVM 相容環境建置，到 Cannon 專案於鏈上的 MIPS 指令驗證等創新實踐，呈現 Layer 2 技術朝向高效率、低成本與優質用戶體驗的發展趨勢，同時確保區塊鏈應用的核心安全。

常見問題

什麼是爭議證明？

爭議證明是一種用於質疑區塊鏈網路交易有效性的加密證據，確保交易完整性，是區塊鏈擴展技術的核心基礎。

爭議證明在 Optimistic Rollup 中如何運作？

爭議證明允許用戶對排序器提出的錯誤 Layer 2 狀態進行質疑。Optimistic Rollup 公開交易資料，由第三方重建並驗證 Layer 2 狀態。若發現異常，挑戰者可透過二分博弈機制在 Layer 1 上挑戰狀態，精準定位錯誤步驟並以一步證明驗證欺詐行為。

爭議證明和有效性證明有何不同？

爭議證明以延遲驗證方式對可疑交易發起挑戰，有效性證明則運用零知識加密達到即時確認與終局。有效性證明效率高，爭議證明則需等待窗口以防範欺詐。