レッスン3 — Fraud proof vs validity (ZK) proof

問い

Optimism から withdraw する → 7 日待つ。zkSync から withdraw する → 約 1 時間待つ。どちらも Ethereum に投稿する EVM rollup。この 170 倍の差は技術的ではなく、proof パラダイムの選択 — 何が違うのか？

原理（最小モデル）

• 3 つの state root commitment 検証選択肢. 常に信頼（validium）/ 信頼するがチャレンジ可能（fraud proof）/ 正確性 proof 必須（validity proof）。
• Fraud proof（optimistic）. Window 中（OP Stack 7 日）誰でも fraud proof 提出可、有効なら state root 拒否 + chain reorg。Window 過ぎたら最終確定。
• Validity proof（ZK）. Sequencer + prover が ZK proof 生成（~分-時間）+ L1 verifier が proof 検証（~100k gas）→ 即時最終確定。
• コスト trade. Optimistic = batch コスト安（$1-5）+ withdrawal 7 日 / ZK = batch コスト高（$50-500 proof 検証）+ withdrawal 数時間。
• OP Stack Cannon の bisection. 全 L2 を再実行（不可能）ではなく、disputed な 1 MIPS 命令を二分探索で絞り込む + L1 contract が 1 命令だけ再実行 + 正誤判定。
• SP1 + Reth. revm 実行を SP1 zkVM の guest program でラップ → revm の state 変更を proof → on-chain 検証。同じ revm コードが実行と proving 両方で走る。
• 2025-2026 トレンド. SP1 / RISC Zero / Polyhedra が Ethereum block proof $1-10 に到達 → ZK rollup が汎用決済で競合可能。

具体例

Fraud proof フロー:

sequenceDiagram
    participant Seq as Sequencer
    participant L1 as L1 Output Oracle
    participant Challenger
    participant Verifier as Fraud Proof Verifier

    Seq->>L1: State root S 提出 (claim)
    Note over L1: 7 日チャレンジ window 開
    Challenger->>Challenger: S が間違いと検知
    Challenger->>Verifier: Fraud proof 提出
    Verifier->>Verifier: Disputed step を再実行
    Verifier->>L1: S は invalid
    L1->>L1: State root 拒否、chain reorg

Validity (ZK) proof フロー:

sequenceDiagram
    participant Seq as Sequencer
    participant Prover
    participant L1 as L1 Verifier
    participant User

    Seq->>Seq: L2 ブロック構築
    Seq->>Prover: 実行 trace 送信
    Prover->>Prover: ZK proof 生成 (~分/時間)
    Prover->>L1: Proof + 新 state root 提出
    L1->>L1: Proof 検証 (~ms on-chain)
    L1->>L1: State root 即時最終
    User->>L1: 待たずに withdrawal 可能

コスト比較:

OP Stack Cannon 流れ:

1. Challenger が「step X が間違っている」と主張
2. Bisection ゲーム: 両当事者が単一 MIPS 命令まで二分探索で絞り込む
3. L1 contract がその 1 命令 を実行
4. 命令の正誤を正しく主張した側が勝つ

ethereum-optimism/optimism/cannon が codebase。1 命令まで絞り込むパターンが fraud proof を実現可能にする — これがなければ L1 に何年分もの L2 履歴を再実行させる羽目になる。

SP1 + Reth 流れ（succinctlabs/sp1）:

1. Reth が L2 ブロックを実行（通常の実行）
2. SP1 guest program が revm 実行をラップ
3. SP1 が「revm の主張する state 変更を確かに生成した」proof を出す
4. Proof を on-chain 提出

Tempo 分散化パス予測:

1. 今日: 中央集権 sequencer、fraud / validity proof なし（Paradigm を信頼）
2. Phase 2: optimistic fraud proof 追加（誰でもチャレンジ可能）
3. Phase 3: ZK proof（即時 finality）
4. Phase 4: 分散化 sequencer + ZK proof

失敗例（誤解）

「ZK rollup は optimistic rollup より優れている」— フレーミング間違い。違うトレードオフを選んでいる。Optimistic = batch 安 + 7 日待ち / ZK = batch 高 + 即時。高頻度 batch では ZK 高、低頻度では optimistic 安いが finalize 遅。目的次第。

「Fraud proof は L2 全体を L1 で再実行」— 不可能。Cannon は bisection で disputed 1 MIPS 命令まで絞り込む → L1 で 1 命令だけ実行。この設計が fraud proof を 実現可能 にする（コスト現実的）。

「2025 年でも ZK proving は実用不可」— 間違い。SP1 / RISC Zero / Polyhedra が Ethereum block proof $1-10 に到達 → 汎用決済領域でも viable。コストは急速に下落中。

🛑 予測。 Optimism の withdrawal 7 日、zkSync の withdrawal ~1 時間 — 170 倍差を生む構造的理由は？（答え: proof パラダイム選択。Optimistic = fraud proof のチャレンジ window（誰でも 7 日以内に「sequencer が嘘」と証明可能）→ window 過ぎないと L1 が「最終」と判定できない → 7 日固定。ZK = proof が即時に正しさを暗号的に証明 → L1 が proof 検証（~ms）→ withdrawal 即時可能。proving 時間は ~時間。技術ではなくパラダイム選択、選んだ瞬間に下流 UX 全部が決まる。）

ステップで組み立てる

Step 1: 3 検証選択肢を即答

常に信頼 / fraud proof / validity proof。

Step 2: Fraud proof 5 ステップ

State root 提出 → window 開 → 誰でも fraud proof 提出 → 有効なら拒否 + reorg → window 過ぎたら最終。

Step 3: Validity proof 5 ステップ

Block 構築 → Prover が ZK proof 生成 → L1 提出 → L1 verifier 検証（~100k gas）→ 即時最終。

Step 4: コスト trade を計算可能

Optimistic = $1-5 batch + 7 日 / ZK = $50-500 batch + 数時間。高頻度では ZK 高、低頻度では Optimistic 安いが finalize 遅。

Step 5: Cannon の bisection を理解

二分探索で 1 MIPS 命令まで絞り込む → L1 で 1 命令再実行。これがなければ fraud proof 実現不可能。

Step 6: SP1 + Reth で同 revm 共有

実行（Reth ノード）と proving（SP1 guest）で 同じ revm コード が走る → コード重複なし + 仕様一致保証。

Step 7: Tempo 分散化パスを描ける

中央集権 → optimistic → ZK → 分散化 + ZK。各段は信頼最小化を進める。

答え合わせ

• 170× 差の構造的理由: パラダイム選択 = fraud proof（window 7 日固定）vs validity proof（proof で即時 finality）。技術的に Optimism チームが遅いわけではない、設計選択 + その下流結論。
• Optimistic vs ZK の使い分け: Optimistic 勝つ場面 = L1 コスト低 + ツーリング成熟 + 汎用 EVM 互換取りやすい。ZK 勝つ場面 = 即時 finality（7 日待ち回避）+ クロスチェーン相互運用（他 chain が proof 信頼可能）+ コンプライアンス監査用途。
• Cannon bisection の発明的部分: 単純な「L2 全部 L1 で再実行」が不可能（コスト無限大）→ 二分探索で disputed 1 命令まで絞り込む → L1 で 1 命令だけ実行 = O(log N) コスト。fraud proof を実現可能にする設計、なければ optimistic rollup は理論止まり。

合格基準

• 3 検証選択肢を即答できる。
• Fraud proof / Validity proof の 5 ステップを各々辿れる。
• コスト trade を 4 観点で比較できる。
• Cannon の bisection 仕組みを 1 文で説明できる。
• SP1 + Reth の「同 revm 共有」の意味を言える。

まとめ（3行）

• Fraud proof（optimistic）= window 7 日 + チャレンジで証明 + batch 安、Validity proof（ZK）= 暗号 proof + 即時 + batch 高、170× 差はパラダイム選択。
• Cannon が bisection で disputed 1 MIPS 命令まで絞り込み L1 で再実行 → fraud proof を実現可能、SP1 + Reth は同 revm コードを実行 + proving 両方で共有。
• 2025-2026 トレンドで SP1 / RISC Zero / Polyhedra が Ethereum block proof $1-10 到達 → ZK rollup が汎用決済領域で競合可能。