optimism fault-proof背后的机制（二）：fault-dispute-game
- joohhnnn
- 更新于 2024-07-19 09:21
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在本章节中，我们将详细介绍 Fault-Dispute-Game。我们将从设计思路开始，逐步深入到代码层面进行探讨。
原文链接：<https://github.com/joohhnnn/The-book-of-optimism-fault-proof-CN/blob/main/02-fault-dispute-game.md>\ 作者：joohhnnn
Fault-Dispute-Game
在本章节中，我们将详细介绍 Fault-Dispute-Game。我们将从设计思路开始，逐步深入到代码层面进行探讨。请注意，某些部分如CANNON虚拟机等将在后续章节单独讲解。
提出问题
让我们回顾上一章节中设计的简易fault proof，探讨其存在的问题。在阅读本章节后，您应该能够了解到这些问题的解答。
- 每个 Fault-Dispute-Game 是如何创建的？如何更好地管理这些被创建的游戏？
- 如何确保不缺乏参与者？考虑到 fault-proof 设计的目的是让任何人都能参与，如何降低技术门槛，吸引第三方或普通人参与？
- 如何控制整个游戏过程中的消耗？如果每次 fault proof 都需要精细解决，所需的 gas 费用可能超过数百个 ETH，在非极端情况下这是不可接受的。
- 如何避免某一方退出导致游戏无法继续进行？
概念和角色介绍
在 fault proof 中，有许多概念需要提前介绍。我们将以直接易懂的方式进行描述。
game-tree
game-tree 是一个关键概念。例如，一个 game-tree X 的根节点代表一批次终点的 L2 区块 state，例如从 L2 区块 N 到 N+X。如果我们需要证明 X state 是正确的，是否需要从 N 区块开始，逐个追踪到 N+X 区块中每笔交易的每个 VM 操作指令？
这里引入SPLIT_DEPTH和MAX_GAME_DEPTH两个概念。简单来说，在从根节点向下的过程中，颗粒度为区块层的深度为 'SPLIT_DEPTH'；超过此层就需要对 VM 的操作指令进行追踪分析。因此，使用二分查找的方式，game-tree 可视为一颗大的二叉树。业务处理在 'SPLIT_DEPTH' 之后有很大的变化，我们从逻辑上将二叉树拆分为两大部分，如下图所示：
Claims
Claims 可以理解为 L2 交易中某个指令所代表的 state hash。
如图所示，为某笔交易第1-16指令的执行流，每个执行都会产生一个 state hash，即 Claim。
这里引入一个概念 trace index。
trace index: 是将所有 L2 区块拆开，并将所有交易也拆分为指令，并按执行顺序进行排列的索引。
如图所示，二叉树最下方节点的序号即为 trace index，例如节点1、3、7、16的 trace-index 都为16。trace index 的作用是什么呢？从橙色路线开始的节点1的 trace index为16，而红色路线中的节点2的 trace index 为8。因此不难理解，为什么橙色路线起点节点1可以作为整个 GAME 的 state root，因为它指向了最后一个指令后的 state root，即最终的 state root。
同时，这也揭示了二分法的精髓，当争议产生时，即表示我们要进行第一次二分，节点2所代表的trace index恰好是中点。
Fault Proof VM
我们链上实现的指令虚拟机，例如 CANNON（MIPS虚拟机）。
DisputeGameFactory
DisputeGameFactory 是用来创建各种不同类型的 dispute games 的入口。它可以被任何人调用，并负责追踪和管理有效的 Game 数据。
DelayedWETH
DelayedWETH 是 WETH 的修改版本，主要用于 dispute games 的激励及奖励发放。其存在使整个激励系统更加安全。
Game Clock
Game Clock 类似于象棋中的棋钟概念，双方各有一个倒计时计时器。操作结束后按下计时器，对方的计时器开始倒数。如果在计时器结束前未分出胜负，计时器先结束的一方将被判定为失败。
ANCHOR_STATE_REGISTRY
ANCHOR_STATE_REGISTRY 用于存储和管理已经通过 fault proof 验证的 state 数据的合约。
Moves
Moves 分为 Attack 和 Defend，但不必过分纠结这两个概念，我们仍可从二分法的角度理解。传统二分法中，参与角色通常是单一的，评判标准固定。然而，在 Fault Dispute Game (FDG) 中，可能由于双方观点的偏差导致评判标准出现两种。通常我们从“我们”的角度讨论二分法，描述为“通过二分缩小范围”，细分为两个步骤：1. 寻找中点；2. 选择合适的部分。但在 FDG 环境下，如果发生 challenge，表明双方对问题的看法存在分歧，尤其是在第二步中，双方可能会做出不同的选择。例如，“attack”操作可以视为选择左半部分继续进行，而“defend”操作则是选择右半部分继续。
举个简单例子：假设有五个数字 1, 2, 3, 4, 5。正常情况下，这些数字的处理应该不会有问题。但如果挑战者 A 认为数字 4 存在问题，并因此发起 attack，标记为 attack 1，这次攻击会使得数据在数字 3 处被分为两部分：123 和 345。此时，defender B 可能不清楚 A 为何发起攻击，可能会错误地认为 A 认为 123 有误，因此反击 attack 1，称之为 attack 2，认为 123 部分是正确的。实际上，B 的意图是因为数字 4 的问题，所以他维护他的 attack 1，将焦点转移到 345 部分。
Step
在 Moves 运动到 'MAX_GAME_DEPTH' 后的操作，即需要在 'Fault Proof VM' 中进行验证的操作。
Resolve
分为 ResolveClaim 和 Resolve，当其中一方在 Step 中被成功证明，或者 Game Clock 计时结束，游戏通过 ResolveClaim 和 Resolve 来揭示胜者，进一步分配激励奖金。
Fault-Proof后的智能合约架构
在这张图示中，我们可以清晰的观察到之前的proposer架构被FaultDisputeGame的架构替代（绿框部分），接下来让我们深入探索这些主要组件的具体细节！
工作流程
让我们通过一个实际的流程来串联整个工作流：
-
用户A通过 'DisputeGameFactory' 创建了 GAME A，存入 bond 资金作为抵押，并声明 Claim 为 B。
1.1 如果用户A声明的 Claim B 是正确的：
1.1.1 如果没有恶意用户挑战，并且挑战期（棋钟）结束，该 Claim 被 Resolve 标记为有效。
1.1.2 如果用户B挑战，用户A反击，双方不断竞争直到最细颗粒，并通过 step 进行判断。首先需要 op-program 在本地进行模拟，然后上传相关数据至 pre-image-oracle，并通过 step 触发链上的 FPVM-cannon 来判断真实结果。双方都极其消耗 ETH 作为 gas 和保证金，但由于客观上 A 是正确的，他将在最终获胜后拿走 B 的所有保证金，保证金足以弥补 A 的 gas 消耗且收入可观。或者 B 及时意识到错误，放弃进一步攻击，等待棋钟结束，判 A 胜利。
1.2 如果用户A声明的 Claim B 是错误的：过程同 1.1.2。
深入代码中去理解
通过 DisputeGameFactory 创建 Game
function create(
GameType _gameType,
Claim _rootClaim,
bytes calldata _extraData
)
external
payable
returns (IDisputeGame proxy_)
{
…
proxy_ = IDisputeGame(address(impl).clone(abi.encodePacked(msg.sender, _rootClaim, parentHash, _extraData)));
proxy_.initialize{ value: msg.value }();
// Compute the unique identifier for the dispute game.
Hash uuid = getGameUUID(_gameType, _rootClaim, _extraData);
// If a dispute game with the same UUID already exists, revert.
if (GameId.unwrap(_disputeGames[uuid]) != bytes32(0)) revert GameAlreadyExists(uuid);
// Pack the game ID.
GameId id = LibGameId.pack(_gameType, Timestamp.wrap(uint64(block.timestamp)), address(proxy_));
_disputeGames[uuid] = id;
_disputeGameList.push(id);
}首先我们先看看三个入参分别代表了什么：
-
gameType：代表当前所使用的验证 VM 的方式，当前大部分为 type 0 即 Cannon。game type 0：FaultDisputeGame game type 1：PermissionedDisputeGame
-
rootClaim：rootClaim 代表这次游戏证明涉及的 rootClaim，即在旧机制中 proposer 发布到 L1 上的 L2 state root。 -
extraData：在 type 0 的情况下，额外数据代表 L2 的区块号。
需要注意的是，这里的 factory 使用了最小代理合约的概念，这样有一个好处是我们可以看到 GAME 的实际合约大小非常小，从而来降低部署费用。如果感兴趣可以查看 EIP-1167。
我们可以看到每个特定的 Claim Game 只能被创建一次，并且在创建后加入到了 disputeGameList 被统一追踪。
Game
FaultDisputeGame.sol 合约是 Fault-Dispute-Game 的核心部分，主要实现了 move、step 和 resolve 三个关键操作。
move()
move() 函数的主要操作包括：
- 根据是
attack还是defend计算出下一个 move 的位置。 - 确定提交的下一个 claim 数据是否有效，进行特定情况的检查，确保每次 move 的 bond 抵押金正确，并确保计时器正确，重新计算剩余棋钟时间。
- 将结果保存到 claimData 和 subgame 中以供后续操作使用。
function move(Claim _disputed, uint256 _challengeIndex, Claim _claim, bool _isAttack) public payable virtual {
ClaimData memory parent = claimData[_challengeIndex];
//----------part1 start----------
Position parentPos = parent.position;
Position nextPosition = parentPos.move(_isAttack);
uint256 nextPositionDepth = nextPosition.depth();
//----------part1 end----------
//----------part2 start----------
if (getRequiredBond(nextPosition) != msg.value) revert IncorrectBondAmount();
if (nextDuration.raw() == MAX_CLOCK_DURATION.raw()) revert ClockTimeExceeded();
if (nextDuration.raw() > MAX_CLOCK_DURATION.raw() - CLOCK_EXTENSION.raw()) {
Clock nextClock = LibClock.wrap(nextDuration, Timestamp.wrap(uint64(block.timestamp)));
//----------part2 end----------
//----------part3 start----------
claimData.push(
ClaimData({
parentIndex: uint32(_challengeIndex),
// This is updated during subgame resolution
counteredBy: address(0),
claimant: msg.sender,
bond: uint128(msg.value),
claim: _claim,
position: nextPosition,
clock: nextClock
})
);
// Update the subgame rooted at the parent claim.
subgames[_challengeIndex].push(claimData.length - 1);
// Deposit the bond.
WETH.deposit{ value: msg.value }();
//----------part3 end----------
}step()
step() 函数在 move() 进行到 MAX_GAME_DEPTH 时被调用，需要链上 VM 如 cannon 进行介入的步骤。
此过程是双方完成共识的关键步骤，step 是这个共识过程的最终环节。
attack: 攻击方提供被反驳节点的前一个节点作为输入，正向推导出结果与被反驳节点进行比较，以验证被反驳节点是错误的。
attack在此仅有一种情况：双方都在instruction 8处达到了共识（注:缩写'I'将在文章内替代'instruction'），对 I 9 的有效性产生分歧，从 I 8 开始推导以验证 I 9 是否有效。用直白的话来说，就是："你提供了一份材料，我根据这份材料推导出来的结果与你的断言不符，我们对这个过程进行验证。如果你的材料无法推导出你的断言，那么你的断言无效。"
defend: 防御方提供输出，反向推导反驳目标作为输入来验证反驳目标是错误的。
防御通过验证被反驳的 I 9 右侧的 I 10 是否有效来进行反驳。这里有两种情况：
- I 10 的 claim 数据来自提出 I 9 的对手方，即 I 9 和 I 10 持相反意见，要验证 I 10 作为输出是有效的。
- I 10 的 claim 数据来自提出 I 9 的提出方，即 I 9 和 I 10 持相同意见，需要证明 I 10 是无效的。
执行流程：
- 对于 attack，以数据源 I 8 在 VM 中执行，将结果与 I 9 进行比较，完成反驳。
- 对于 defend，验证被反驳的 I 9 右侧的 I 10 是否有效进行反驳。这可能涉及到验证 I 10 的 claim 数据来源，以确认其有效性或推导出反驳 I 9 的内容，从而完成反驳过程。
code：
主要操作包括：
- 判断操作是 attack 还是 defend，根据 trace index 从 DAG 中找到相应数据，并进行 prestate 和 poststate 的初始化。
- 在 VM 中执行以判断有效性，并在 defend 情况下确定具体属于哪种情况。
- 如果反驳成功，则记录数据。
function step(
uint256 _claimIndex,
bool _isAttack,
bytes calldata _stateData,
bytes calldata _proof
)
public
virtual
{
ClaimData storage parent = claimData[_claimIndex];
Position parentPos = parent.position;
Position stepPos = parentPos.move(_isAttack);
// Determine the expected pre & post states of the step.
Claim preStateClaim;
ClaimData storage postState;
//----------part1 start----------
if (_isAttack) {
preStateClaim = (stepPos.indexAtDepth() % (1 << (MAX_GAME_DEPTH - SPLIT_DEPTH))) == 0
? ABSOLUTE_PRESTATE
: _findTraceAncestor(Position.wrap(parentPos.raw() - 1), parent.parentIndex, false).claim;
postState = parent;
} else {
preStateClaim = parent.claim;
postState = _findTraceAncestor(Position.wrap(parentPos.raw() + 1), parent.parentIndex, false);
}
//----------part1 end----------
if (keccak256(_stateData) << 8 != preStateClaim.raw() << 8) revert InvalidPrestate();
// Compute the local preimage context for the step.
Hash uuid = _findLocalContext(_claimIndex);
//----------part2 start----------
bool validStep = VM.step(_stateData, _proof, uuid.raw()) == postState.claim.raw();
bool parentPostAgree = (parentPos.depth() - postState.position.depth()) % 2 == 0;
//----------part2 end----------
//----------part3 start----------
if (parentPostAgree == validStep) revert ValidStep();
parent.counteredBy = msg.sender;
//----------part3 end----------
}resolveClaim() & resolve()
Full code link for resolveClaim() ：resolveClaim负责将一个claim下的所有子游戏进行单个完结，和对整个claim进行完结 Full code link for resolve() ：resolve负责在所有子游戏都结束后，对整个game进行完结
resolveClaim的操作需要分两种情况：
-
处理子游戏，入参
_numToResolve为 0。- 判断是当前棋钟是否已经耗尽
if (challengeClockDuration.raw() < MAX_CLOCK_DURATION.raw()) revert ClockNotExpired(); - 判断否为最细粒度的子游戏，如果是，将支付的bond计入反驳成功者的账户，同时将子游戏记做已解决，并返回。
if (challengeIndicesLen == 0 && _claimIndex != 0) { address counteredBy = subgameRootClaim.counteredBy; address recipient = counteredBy == address(0) ? subgameRootClaim.claimant : counteredBy; _distributeBond(recipient, subgameRootClaim); resolvedSubgames[_claimIndex] = true; return; }
- 判断是当前棋钟是否已经耗尽
-
处理主claim，入参
_numToResolve为单次transaction中需要验证的subgame的数量，每次操作处理的subgame数量之和需等于总subgame数量。- 判断是当前棋钟是否已经耗尽
if (challengeClockDuration.raw() < MAX_CLOCK_DURATION.raw()) revert ClockNotExpired();-
判断当前claim是否首次被执行resolveClaim，如果是，创建并初始化checkpoint以应对多次transaction共同完成resolveClaim的情况。
// If the checkpoint does not currently exist, initialize the current left most position as max u128. if (!checkpoint.initialCheckpointComplete) { checkpoint.leftmostPosition = Position.wrap(type(uint128).max); checkpoint.initialCheckpointComplete = true; if (_numToResolve == 0) _numToResolve = challengeIndicesLen; } - 循环校验子任务是否全部解决，并在循环中确保最左边的索取激励。
uint256 lastToResolve = checkpoint.subgameIndex + _numToResolve; uint256 finalCursor = lastToResolve > challengeIndicesLen ? challengeIndicesLen : lastToResolve; for (uint256 i = checkpoint.subgameIndex; i < finalCursor; i++) { uint256 challengeIndex = challengeIndices[i]; // INVARIANT: Cannot resolve a subgame containing an unresolved claim if (!resolvedSubgames[challengeIndex]) revert OutOfOrderResolution(); ClaimData storage claim = claimData[challengeIndex]; // If the child subgame is uncountered and further left than the current left-most counter, // update the parent subgame's `countered` address and the current `leftmostCounter`. // The left-most correct counter is preferred in bond payouts in order to discourage attackers // from countering invalid subgame roots via an invalid defense position. As such positions // cannot be correctly countered. // Note that correctly positioned defense, but invalid claimes can still be successfully countered. if (claim.counteredBy == address(0) && checkpoint.leftmostPosition.raw() > claim.position.raw()) { checkpoint.counteredBy = claim.claimant; checkpoint.leftmostPosition = claim.position; } }- 如果claim没有未结局的子游戏，根据当前claim的反驳状态来确定反驳者,并分发bond奖励。
// Increase the checkpoint's cursor position by the number of children that were checked. checkpoint.subgameIndex = uint32(finalCursor); // Persist the checkpoint and allow for continuing in a separate transaction, if resolution is not already // complete. resolutionCheckpoints[_claimIndex] = checkpoint; // If all children have been traversed in the above loop, the subgame may be resolved. Otherwise, persist the // checkpoint and allow for continuation in a separate transaction. if (checkpoint.subgameIndex == challengeIndicesLen) { address countered = checkpoint.counteredBy; // Mark the subgame as resolved. resolvedSubgames[_claimIndex] = true; // Distribute the bond to the appropriate party. if (_claimIndex == 0 && l2BlockNumberChallenged) { // Special case: If the root claim has been challenged with the `challengeRootL2Block` function, // the bond is always paid out to the issuer of that challenge. address challenger = l2BlockNumberChallenger; _distributeBond(challenger, subgameRootClaim); subgameRootClaim.counteredBy = challenger; } else { // If the parent was not successfully countered, pay out the parent's bond to the claimant. // If the parent was successfully countered, pay out the parent's bond to the challenger. _distributeBond(countered == address(0) ? subgameRootClaim.claimant : countered, subgameRootClaim); // Once a subgame is resolved, we percolate the result up the DAG so subsequent calls to // resolveClaim will not need to traverse this subgame. subgameRootClaim.counteredBy = countered; } }
resolve：
- 验证解决状态，并更新全局状态
- 更新ANCHOR_STATE_REGISTRY中L2的最新l2BlockNumber和root hash。
function resolve() external returns (GameStatus status_) {
// INVARIANT: Resolution cannot occur unless the game is currently in progress.
if (status != GameStatus.IN_PROGRESS) revert GameNotInProgress();
// INVARIANT: Resolution cannot occur unless the absolute root subgame has been resolved.
if (!resolvedSubgames[0]) revert OutOfOrderResolution();
// Update the global game status; The dispute has concluded.
status_ = claimData[0].counteredBy == address(0) ? GameStatus.DEFENDER_WINS : GameStatus.CHALLENGER_WINS;
resolvedAt = Timestamp.wrap(uint64(block.timestamp));
// Update the status and emit the resolved event, note that we're performing an assignment here.
emit Resolved(status = status_);
// Try to update the anchor state, this should not revert.
ANCHOR_STATE_REGISTRY.tryUpdateAnchorState();
}总结
以上内容涵盖了整个 Fault Dispute Game 链上合约的核心部分。在这一章节中，我们详细介绍了合约中的主要操作如 move、step 和 resolve，并且通过具体的代码片段深入了解了这些操作的实现逻辑。
值得注意的是，我们还未对链上虚拟机（MIPS）进行详细的探讨。链上 VM 的具体细节和工作原理将在下一章节详细讲解，届时我们将深入了解其在 Fault Dispute Game 中的具体应用和重要性。
- 原创
- 学分: 32
- 分类: Layer2
- 标签: Optimism fault proof
