遇到的問題
PopCraft 是一款全鏈上的消除游戲，每局游戲時長 4 分鐘，玩家在規定時間內消除棋盤上所有元素，會獲得代幣獎勵。
由于全鏈上的特性，玩家在游戲過程中的每次操作都需要跟區塊鏈交互。以太坊二層的區塊時間通常為 2 秒，導致玩家在游戲中每次操作需要至少等待 2 秒才能完成，這遠遠超過同類 Web2 游戲中的等待時間，從而使 PopCraft 游戲體驗欠佳。
PopCraft 游戲主界面
設想的方案
我們設想在 PopCraft 中利用零知識證明技術（以下簡稱 ZKP），減少玩家在游戲過程中與區塊鏈的交互次數。
預期的方式是：游戲過程不上鏈，但有機制可以確保無作弊風險。玩家在游戲中每一步操作都會生成 ZKP，后一步操作的 ZKP?基于前一步的 ZKP 來生成，從而形成一種類似區塊鏈結構的自包含 ZKP，游戲結束時將最后一步操作的 ZKP 發送到鏈上，交由智能合約驗證其結果。
方案調研與推導
1. 游戲過程與結果的防作弊：僅對游戲結果生成 ZKP 是不夠的，因為游戲的過程同樣存在作弊可能。因此，既要對游戲結果生成 ZKP，也要對游戲過程進行驗證。
2. 逐步生成 ZKP 的技術挑戰：為了防作弊，需要對玩家在游戲中的每一個操作都生成 ZKP，在游戲結束時將最后一個 ZKP 上鏈進行驗證。這個過程中，每一步的 ZKP 都會依賴于前一步的 ZKP，直到游戲結束為止。
但難點是：
1> 新的 ZKP 生成需要依賴前一步的 ZKP，這使得驗證過程復雜且不確定能否可實現。此外， ZKP 驗證通過智能合約（鏈上）來做，后一步生成 ZKP 時該如何去驗證前一步的 ZKP 是正確的。
2> 在通過智能合約驗證每一步的 ZKP 是否正確時，如何確保每個 ZKP 與前一個 ZKP 的連貫性，該問題不確定是否有方案可以解決。
3. 公開游戲數據的問題：PopCraft 的游戲數據是公開的，因此通過 ZKP 做信息隱藏沒必要。如果上述驗證步驟均可實現的話，下一步需要考慮在合約端保存游戲數據。然而問題在于 ZKP 的性質無法解出具體的游戲數據，此時也不可直接相信客戶端傳給智能合約的游戲結果數據，這意味著智能合約無法直接存儲這些數據。
4. PopCraft 中消耗游戲道具（消耗 Token）的問題：當游戲過程涉及到通過游戲道具完成孤立元素的消除時，本質上對應的是 Token 消耗，需要將用戶錢包中對應的 Token 轉移，如何處理這一步 ZKP 生成和驗證也是一個問題。
1> 一個可能的解決方案是：這一步繼續按照之前的流程生成 ZKP，驗證消耗的 Token 數量并最終發送給智能合約。然而，由于智能合約無法通過 ZKP 得到具體游戲數據，因此無法判斷應該轉移的 Token 數量。
此外，假設玩家擁有 3 個 Token A，卻嘗試在游戲中消耗 4 個 Token A，這種錯誤會在游戲結束時才被發現，而不是在用戶操作實時被發現。
2> 另一個可能的解法是：在使用 Token 完成孤立元素的消除時，直接與智能合約交互完成消除，然后更新玩家的 Token 余額。生成的 ZKP 只負責保存此時游戲操作和狀態的證明。
那么此時在轉移 Token 成功之后，還需要像前面操作一樣繼續生成 ZKP，如果不生成，那么在轉移 Token 操作的上一步生成的 ZKP 與下一次生成的 ZKP 中間，多了一次與智能合約交互的步驟，那么 ZKP 中的游戲狀態就會沖突，這樣游戲結束時生成的 ZKP 是否有效也是一個懸而未決的問題。
5. ZKP 的數據隱藏問題：對于 PopCraft 這種不需要隱藏游戲數據的場景來說，通過 ZKP 做數據隱藏是多余的，且增加了游戲數據獲取的難度以及工程實現方案的不確定性。PopCraft 只需確保游戲過程和結果無作弊風險即可，并不需要隱藏游戲過程數據。
結論
在 PopCraft 這樣的游戲中，游戲數據不需要隱藏，因此通過 ZKP 做信息隱藏沒有必要。為了通過縮短響應時間來提升游戲體驗，可以考慮游戲過程不上鏈，僅將最終結果上鏈。關鍵在于找到一種方法，可以確保從玩游戲的第一步到最后一步都沒有作弊可能，最后將正確的結果上鏈驗證即可。
如果通過 ZKP 進行信息隱藏，反倒是增加了工程實現難度。其次是如何確保游戲過程無作弊風險，使用 ZKP 能確保單個游戲操作無作弊風險，但為了減少跟區塊鏈的交互次數，又不能生成一次 ZKP 就提交一次。所以從游戲開始的第一步操作到游戲結束整個過程，又該如何保證無作弊風險，目前看來 ZKP 無法解決該問題。
從我們的調研來看，游戲領域 ZKP 適合做兩類事情：
- 非完全信息博弈類游戲的信息隱藏，比如：黑暗森林、德州撲克、狼人殺、爐石傳說等。
- 游戲過程為單步的游戲結果證明，比如：彩票、猜數字、石頭剪刀布、骰子游戲等。
由于我們在零知識證明技術上的儲備有限，本文內容可能存在事實性錯誤或不合理的工程設想，懇請具備豐富經驗的零知識證明領域專家批評指正。