Layer2 证明系列（第一部分）——OP Stack 争议证明：问题、解决方案与创新

概述

Layer 2 解决方案已成为应对 Layer 1 扩展性挑战的重要手段。本文系列聚焦 L2 证明方案，重点解析争议证明机制。争议证明系统作为加密机制，专为验证区块链上的交易或计算结果，确保分布式账本操作的安全与完整性。

Optimistic Rollup 流程简述

Optimistic Rollup 流程涵盖七大关键环节，构建了完整的交易验证链路。用户首先在 Layer 2 网络发起交易，并直接提交至 L2 排序器。排序器基于自身维护的 L2 链副本执行交易，生成反映账本最新状态的新状态根。

执行完成后，排序器将原始交易及新计算出的状态根一并上传至 Layer 1 区块链。L1 智能合约收到数据后，进入指定挑战期，期间链上任何参与者都可对 L2 排序器提交的交易或执行结果发起质疑。此挑战环节对于保障系统安全、预防恶意行为至关重要。

待挑战期结束，Layer 1 区块链正式确认 L2 执行记录。如排序器在挑战期被认定存在不诚信行为，将受到惩罚，并重新计算状态根以确保准确，恢复系统完整性。

L2 安全性为何需证明机制

争议证明机制及挑战体系是规避排序器不诚实行为风险的核心。借助加密证明，Layer 1 任何参与者都能独立验证 Rollup 交易及状态根的正确性，无须重演全部交易历史。

Optimism 采用了更长的挑战窗口，系统各方——包括用户和独立验证者——可充分利用该期间核查执行结果和状态根。这一机制为社区留足甄别、挑战潜在欺诈提交的时间，建立了依靠经济激励和加密验证的强安全体系，无需对单一实体依赖信任。

争议证明与有效性证明

区块链体系内有两种截然不同的证明机制，运行逻辑和权衡各异。有效性证明要求排序器在向 Layer 1 提交执行结果时必须同时附上加密有效性证明。这样 Layer 1 任何节点都能立刻核查执行结果，无须在 L2 链上重演交易，但实现门槛高，通常依赖复杂数学与零知识证明系统。

争议证明（又称故障证明）则建立在默认排序器诚实基础上，依靠挑战机制保证正确性。此模式下，参与者可在限定时窗对可疑提交发起质疑，将举证责任转移给挑战者。若大多数提交为诚实，该方法在效率上具优势。

争议证明解决方案

争议证明实现方式主要分为非交互式和交互式两大类，各自架构特征与性能表现不同。

非交互式争议证明简介

非交互式争议证明通过在 L1 直接重放 L2 全部交易实现。此方案需强大基础设施支持，使 L1 能运行 L2 交易，并借 L1 验证层核查 L2 状态变更。其核心挑战在于两方面：一是如何在 L1 重演 L2 交易，二是解决 L2 与 L1 状态不一致问题，实现精确验证。

Optimism 虚拟机（OVM v1）

为解决非交互式争议证明中的状态一致性难题，Optimism 协议引入多项前沿技术。L2 定期生成状态承诺，形成全局加密证明；L1 验证者负责确认链上数据可用性；L1 验证者在 L2 上下文下用 L2 数据重放交易以核查执行；L1 与 L2 间通过跨链通信机制实现交互；激励机制确保参与者诚实履约。

OVM 的核心创新在于构建了一个“容器”，让 L1 重演体验等同于在 L2 运行。具体方法包括账户状态预加载（为 L1 执行准备 L2 账户状态）、对涉及存储和状态访问的 EVM 字节码作定制化调整、在 L1 部署智能合约以修改用户合约字节码实现外部数据访问，以及调整 Solidity 编译器输出 OVM 字节码。

OVM 简析

尽管 OVM 方案极具创新，但也带来不少局限。通过改造原合约字节码编译器，提升了开发复杂度，开发者需理解并适配非标准字节码。操作码被函数调用替代，导致代码膨胀，部署成本上升。函数调用本身消耗更多 Gas，令 OVM 交易费用显著提升。同时，由于 OVM 未完全优化，交易处理或存性能瓶颈。

Optimism 交互式争议证明简介

交互式争议证明是争议证明机制的重大创新，通过防御方与挑战方的交互协议验证状态转移的有效性。与传统机制相比，交互式方案更高效，双方只需聚焦分歧状态部分，无需重放所有交易。

Optimism 现有开发实现（Cannon 项目）目标是在 L1 上仅以单条 MIPS 指令完成验证，极大降低链上算力消耗。

Cannon 简介

Cannon 项目旨在实现多项创新：避免对智能合约操作码层级修改，规避 EVM 嵌套 EVM 的复杂度；极简化 L2 状态访问机制，大幅降低链上争议证明验证成本。

Cannon 通过一系列关键特性实现目标。统一状态访问由 preimage oracle 提供，允许用哈希值作为密钥访问 Layer 2 状态；不再合约层重放交易，而是采用 Geth 级重演，更贴近真实客户端；链上验证仅需单条 MIPS 指令，极大减轻计算负担；op-program 负责访问与生成 preimage 数据；争议博弈机制支持防御者与挑战者协作，定位问题指令。

Cannon 流程

Cannon 架构下多组件协同运行：op-program 作为 preimage 数据访问的客户端-服务器架构，客户端以 MIPS 指令集编译，服务器负责查询与获取 preimage 数据。Cannon 本身为 MIPS 指令仿真器，包含 mipsevm 组件和链上智能合约。MIPS.sol 实现链上 MIPS 指令解释，PreimageOracle.sol 提供 MIPS.sol 的 preimage 请求服务。

整体流程清晰：MIPS 支持的 op-program 客户端加载进 Cannon MIPS 仿真器，生成争议证明初始状态；mipsevm 从起点依次执行步骤，记录访问并按需保存 preimage 数据；挑战者发现 L2 Rollup 状态与 L1 不符时，启动争议博弈，防御者与挑战者均用二分查找定位产生差异的具体指令；最终准备争议证明材料并提交 MIPS.sol 链上验证。

Optimism 交互式争议证明的挑战

Cannon 虽有诸多创新，仍面临挑战。采用 MIPS 指令集主要考虑 Go 语言原生支持、解释器实现简单及架构简洁，但专用指令集提高了学习门槛。Go 语言运行时可能被利用存在安全隐患，Cannon 已修补多项 Go 运行时函数（如禁用垃圾回收），在高内存场景下可能引发内存溢出。

用户体验上，争议证明挑战窗口是最大短板。窗口较长，用户需等待提款，时间敏感应用受影响。此外，L1 智能合约及链下组件的安全性亦需持续重视与审查。

替代方案

区块链社区正不断探索争议证明替代路径，部分方案聚焦零知识争议证明。此机制有望缩短甚至消除传统争议证明的交互环节，实现更快终局和更简流程，但在算力消耗与生成时延方面需权衡。

L2 证明机制进展

随着采用 OP Stack 技术的主流 L2 区块链持续推进，项目方正通过多项举措推进争议证明机制升级。优化链下基础设施、缩短挑战窗口以提升用户终局速度，通过审计与测试完善链上合约，并探索更契合不同行业与社区的创新业务方案。

结论

本文梳理了Layer 2 争议证明系统的发展，从 OVM 架构设计与 EVM 兼容环境的构建，到 Cannon 项目的链上单条 MIPS 指令验证等创新实现，呈现了 Layer 2 技术向更高效率、更低成本和更优用户体验演进的趋势，同时始终保障区块链应用的核心安全性。

常见问题

什么是争议证明？

争议证明是用于质疑区块链网络中交易有效性的加密证据，保障交易完整性，是区块链扩展方案的关键基础。

争议证明在 Optimistic Rollup 中如何运作？

争议证明允许用户对排序器提出的错误 L2 状态进行质疑。Optimistic Rollup 公布交易数据，由第三方重建并验证 L2 状态。如发现不符，挑战者可通过二分博弈机制在 L1 上挑战状态，定位错误步骤并用一步证明验证欺诈。

争议证明和有效性证明有何区别？

争议证明通过对虚假交易延迟验证并发起挑战，有效性证明则以零知识加密实现即时确认和终局。有效性证明效率高，争议证明则需等待窗口以防欺诈。