區塊鏈如何在避免過度中心化的同時保障驗證效率?
原文標題:《VitalikButerin:區塊鏈驗證的哲學》撰文:VitalikButerin,以太坊聯合創始人編譯:灑脫喜
區塊鏈最強大的特性之一,就是可獨立驗證區塊鏈執行的每個部分。即使大多數區塊鏈礦工被攻擊者接管,但如果該攻擊者試圖推送無效區塊,網絡也可以簡單地拒絕它們。即使是某些時間段未驗證區塊的那些用戶,也可以獲得驗證用戶的警告,此時他們可檢查攻擊者的鏈是否無效,并自動拒絕它,然后協調接受遵循規則的區塊鏈。
但我們實際上需要多少驗證呢?我們需要100個獨立的驗證節點,還是1000個?我們是否需要一種文化,使得全世界的普通人都能運行檢查每筆交易的軟件?這些問題是一個挑戰,尤其是當我們要構建一個比「中本聰」最初創建的工作量證明共識機制更好的區塊鏈,那解決上面這些問題就顯得非常重要。
為什么需要驗證?
圖:攻擊者發動了51%攻擊,而我們想要網絡拒絕這條無效鏈
有兩個主要原因可以解釋,為什么用戶去驗證區塊鏈是有益的。
首先,它最大限度地提高了節點能夠正確地確定,并辨識規范鏈的機會。通常,規范鏈被定義為「擁有最多礦工/驗證者支持的有效鏈」。而無效鏈會被定義拒絕,如果在多個有效鏈之間進行選擇,那么從礦工/驗證者那獲得最多支持的區塊鏈就會獲勝。因此,如果你有一個節點來驗證所有的有效條件,從而檢測出哪些鏈是有效的,哪些鏈是無效的,那你就可以最大限度地檢測出規范鏈到底是什么。
驗證區塊鏈是有益的,還有另一個更深層次的原因。假設一個強大的參與者試圖對協議發起更改,并且其得到了大多數礦工的支持。如果沒有其他人驗證這條鏈,那么這種攻擊就很容易成功:每個人的客戶端都會默認地接受新鏈,當任何人看到發生的事情時,將由持不同意見者來協調對這一區塊鏈的拒絕。但是,如果普通用戶正在進行驗證,那么協調問題就落在另一面:現在,無論是誰試圖更改協議,都有責任說服用戶主動下載軟件補丁,以接受協議更改。
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如果有足夠多的用戶在驗證,那么一個有爭議的協議更改嘗試,將默認為混亂,而不是默認為勝利。默認混亂仍然會造成很多混亂,這需要社區協調來解決,但它在攻擊者面前設置了一個更大的障礙,它大大降低了攻擊者的信心,從而降低其試圖發動攻擊的積極性。如果大多數用戶正在驗證,而攻擊只獲得了大多數礦工的支持,那么攻擊將完全默認為失敗,這會是所有攻擊中最好的結果。
定義視圖vs協調視圖
請注意,這種推理與我們經常聽到的另一種推理方式截然不同:根據「定義」,改變規則的鏈在某種程度上不是正確的鏈,而且不管有多少其他用戶接受一些新規則,重要的是你個人可以繼續使用你喜歡的舊規則。
以下是GavinAndresen提出的「按定義」視圖的一個示例:
下面則是來自Wasabi錢包的另一個示例,從解釋全節點為何有價值的角度來看,這一點更為直接:
請注意此視圖的兩個核心組件:
根據定義,不接受你認為基本、不可協商規則的鏈不是比特幣,而不管有多少人接受這條鏈。重要的是,你要留在一條你認為有可接受規則的區塊鏈上。然而,我認為這種「個人主義」的觀點是非常錯誤的。為了了解原因,讓我們看看我們所擔心的場景:絕大多數參與者接受了協議規則的某些更改,而這些改變是你所無法接受的。例如,設想一個交易費用非常低的未來,為了保證區塊鏈的安全,幾乎所有其他人都同意修改一套增加發行量的新規則。然后你頑固地繼續運行一個執行舊規則的節點,并且分叉到與大多數節點不同的區塊鏈上。
Skale Network發布Levitation Protocol:金色財經報道,Skale Network 發布了 Levitation Protocol,一個零知識 (ZK) Rollup,旨在為以太坊開發人員提供新的擴展解決方案。[2023/6/2 11:53:37]
從你的角度來看,你仍然可以將幣放在可接受規則下運行的系統中。但是那又怎樣呢?其他用戶將不會接受你的幣,交易所將不接受你的幣,公共網站可能會顯示新幣的價格,但他們指的是大多數人接受的那條鏈,而你的幣是沒有價值的。
本質上,加密貨幣和區塊鏈是社會結構,如果沒有人相信它們,那它們就毫無意義。
那么,另一種觀點是什么呢?其核心思想是通過協調問題將區塊鏈視為工程安全。
通常情況下,我們遇到的協調問題不會是什么好事:對于大多數人來說,如果英語能擺脫其高度復雜和不規則的拼寫系統,或者如果美國改用公制,或者如果經濟衰退時我們可以立即把所有的物價和工資降低10%,那么在實踐中,這需要所有人同時就轉換達成一致意見,而這通常是非常困難的。
然而,在區塊鏈應用中,我們可利用協調問題來發揮自己的優勢。我們正在利用協調問題造成的摩擦,以作為防止中央集權行為者瀆職的一道屏障。我們可以構建具有屬性X的系統,并且我們可以保證它們將保留屬性X,因為將規則從X更改為非X,需要一大堆人同意同時更新他們的軟件。即使有一個參與者可以強制改變,這樣做也很困難。
注意,這個觀點會帶來一個特別的結果:全節點的目的并不是為了保護你,在有爭議硬分叉的情況下,擁有全節點的人是安全的,而沒有全節點的人是容易遭受攻擊的。相反,這里的觀點更多的是群體免疫:驗證的人越多,每個人就越安全,即使只有一部分人在驗證,每個人都會因此得到高水平的保護。
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深入研究驗證
現在我們進入下一個主題,這個主題與輕客戶端、分片等主題非常相關:通過驗證,我們實際上實現了什么?為了理解這一點,讓我們回到前面的一點,如果攻擊發生了,我認為攻擊的發生方式具有以下優先順序:
默認為失敗>默認為混亂>默認為勝利
這里的「>」當然是「優于」。最好的情況是攻擊完全失敗,其次是攻擊導致混亂,每個人都不同意正確的鏈是什么,而最糟糕的則是攻擊成功。為什么混亂要比勝利好得多?這是一個動機問題:混亂增加了攻擊者的成本,并降低他們肯定會獲勝的確定性,因此從一開始就阻止了攻擊的企圖。默認為混亂環境,意味著攻擊者除了要贏得51%算力競爭,還需要說服社區跟隨,這要比簡單發起51%攻擊要困難地多,也沒有那么吸引人。
驗證的目標是從默認勝利改為默認失敗,或者默認混亂。如果你們都有一個全驗證節點,并且攻擊者試圖推行一條具有不同規則的鏈,則攻擊就會失敗。如果有一些人有一個全驗證節點,而其他人沒有,那么攻擊會導致混亂。但現在我們可以思考:有沒有其他方法可以達到同樣的效果?
輕客戶端和欺詐證明
在這方面,一個自然的發展是帶有欺詐證明的輕客戶端。目前存在的大多數區塊鏈輕客戶端的工作原理,是驗證大多數礦工支持的特定區塊,而不必費心檢查其他協議規則是否正在實施。客戶端基于大多數礦工是誠實的信任假設運行。如果發生了一次爭議分叉,則默認情況下,客戶端會遵循多數鏈,如果用戶希望遵循舊規則,則由用戶采取積極的措施。因此,今天受到攻擊的輕客戶端會默認承認攻擊是成功的。但有了欺詐證明技術,情況就開始不太一樣了。
Vitalik:Rollup有可能使以太坊TPS達到每秒10萬筆交易,甚至更多:7月24日,“2021世界區塊鏈大會·杭州”在杭州未來科技城學術交流中心開幕。以太坊創始人Vitalik Buterin(V神)受邀出席并發表主題演講《以太坊進入2.0之后,會發生什么?》。他表示,現階段, Rollup可以擴展到每秒大約4000到5000筆交易。假設整個以太坊生態都可以用上Rollup,然后有了數據分片之后,我們可能有20到50倍更多的空間。Rollup有可能使以太坊TPS達到每秒10萬筆交易,未來甚至更多。分片首先會添加一些基礎的安全性,然后再增加更多的安全性,然后分片會迎來越來越多的改進。(巴比特)[2021/7/24 1:12:51]
欺詐證明最簡單的形式如下。通常,區塊鏈中的單個區塊只觸及區塊鏈「狀態」的一小部分。如果一個全驗證節點處理一個區塊,并發現它是無效的,則它們可生成一個package包。它們把這個package包廣播給輕客戶端。然后,輕客戶端可以獲取package包并使用該數據來驗證區塊本身,即使它們沒有來自區塊鏈的其他數據。
圖:區塊鏈中的單個區塊只涉及少數賬戶。欺詐證明將包含這些賬戶中的數據以及證明數據正確的Merkle證明
這種技術有時也被稱為無狀態驗證:客戶端可以只保留區塊頭,而不是保留完整的區塊鏈狀態數據庫,它們可通過向其他節點請求區塊驗證正在訪問的任何所需狀態項的Merkle證明來實時驗證任何區塊。
這種技術的強大之處在于,輕客戶端只有在聽到警報時才可以驗證單個區塊。因此,在正常情況下,輕客戶端仍然是輕客戶端,它們僅檢查大多數礦工/驗證者支持哪些區塊。但在那些例外情況下,多數鏈包含輕客戶端不會接受的區塊,只要至少有一個誠實節點來驗證欺詐區塊,該節點就會發現它是無效的,然后在它廣播欺詐證明后,網絡的其余部分就會拒絕它。
OKEx將于5月26日19時暫停VITE充提:據官網公告,由于VITE主網升級 ,OKEx將于2020年5月26日19:00 暫停VITE的充提,待升級完成后開放。[2020/5/26]
分片
分片是這一點的自然延伸:在分片系統中,系統中的事務太多,大多數人無法一直直接驗證,但如果系統設計良好,則可以檢測到任何單個無效區塊,并用欺詐證明證明其無效,這個證明可以在整個網絡上傳播。一個分片網絡,我們可概括為每個人都是一個輕客戶端。而且只要每個分片有一定的最小閾值參與者數,網絡就具有群體免疫性。
此外,在分片系統中,區塊生產是高度可訪問的,甚至它可以在普通的筆記本電腦上完成,這一事實非常重要。網絡核心不依賴高性能硬件,這使得多數人驅動的協議變更,更難以「默認獲勝」。
這就是可審計性在現實世界中的含義:不是每個人都一直在驗證所有事情,而是每個特定部分都有足夠的眼睛,如果有錯誤,它將被發現,以及檢測到一個錯誤,則所有人都清楚可見。
也就是說,從長遠來看,區塊鏈肯定可以在這方面有所改進。一個特別的改進來源是ZK-SNARKs:有效可驗證的密碼學證明,允許區塊生產者向客戶端證明區塊滿足某些任意復雜的有效性條件。有效性證明比欺詐證明更強大,因為它們不依賴于交互式游戲來捕獲欺詐。另一重要技術是數據可用性檢查,它可防止數據未完全發布的數據區塊。數據可用性檢查確實依賴于一個非常保守的假設,即在網絡的某個地方至少存在少量誠實節點,好消息是,這個最小誠實閾值很低,并且即使存在大量攻擊者也不會增長。
時間和51%攻擊
現在,讓我們來了解下「默認為混亂」思維方式最糟糕的后果:自行進行51%攻擊。目前很多社區的標準是,如果一次51%攻擊成功,那么發生51%攻擊的區塊鏈必然會成為有效鏈。這一標準經常被嚴格遵守,最近發生的ETC51%攻擊就很好地說明了這一點。攻擊者恢復了3000多個區塊,結果是,Geth節點使用了攻擊者的區塊鏈,而OpenEthereum節點仍然保留在原始鏈上。
我們可以說,這次攻擊實際上是默認混亂。不幸的是,ETC社區隨后選擇接受攻擊鏈作為規范鏈,這一舉動被eth_classic描述為「遵循預期的工作量證明」。因此,社區規范積極幫助攻擊者獲勝了。
但我們可以設想一個規則,一旦客戶端接受了一個區塊作為規范鏈的一部分,并且該區塊有超過100個后續區塊,那么客戶端從此將不再接受不包含該區塊的區塊鏈。或者,在具有最終確定性的權益證明設置中,想象一個規則,一旦完成一個區塊,就永遠無法還原。
5個區塊還原限制僅用于說明目的,實際上,限制可能會更長,例如100-1000區塊。
明確地說,這對規范性的確定方式帶來了一個重大改變:客戶端不再只查看它們自己接收到的數據,客戶端還會查看數據是何時收到的。這引發了由于網絡延遲而導致客戶端不同意的可能性:如果由于一次大規模攻擊而同時完成兩個沖突的區塊A和B,有些客戶端首先看到了區塊A,而有些客戶端首先看到了區塊B,該怎么辦?但我會說這很好:這意味著,嘗試恢復交易的51%攻擊不會默認為勝利,而是默認為混亂,而帶外應急響應,則可以幫助選擇正確的鏈。
如果協議設計得很好,強制升級到帶外應急響應,應該是非常昂貴的:在權益證明中,這樣做需要1/3的驗證者犧牲他們的存款并遭到罰沒。
有可能,我們可以擴展這種方法。我們可以嘗試讓51%審查交易攻擊也默認為混亂。對及時性檢測器的研究,進一步推動了所有類型的攻擊都默認為失敗方向,盡管由于時間檢測器不能幫助那些連接不好且在線的節點,因此仍然存在一些混亂。
對于一個重視不變性的區塊鏈社區來說,實施這種還原限制可以說是上乘之選。很難誠實地宣稱區塊鏈是不可變的,無論一筆交易在一條區塊鏈中被接受了多長時間,總有可能有一些強大參與者的意外活動出現,并將其還原。當然,我會聲稱,即使是BTC和ETC,也已經在極端情況下設置了還原限制。如果發生的攻擊使活動恢復了數周,則社區可能會采用用戶激活軟分叉來拒絕攻擊者的區塊鏈。
結論
首先,如果我們接受社會協調的合法性,并且接受涉及「1-of-N」信任模型的間接驗證合法性,那么我們可以創建可擴展性更高的區塊鏈。
其次,客戶端驗證對于所有這些工作都至關重要。只有少數人運行節點,而其他人依賴這些節點的網絡,很容易被特殊利益集團接管。然而,避免這樣的命運并不需要走到相反的極端,即無需讓所有人總是驗證一切!允許單獨驗證每個區塊的系統,因而用戶只在其他人發出警報時驗證區塊,這是完全合理的,并具有相同的效果,但這需要接受驗證的「協調視圖」。
第三,如果我們允許規范性的定義,包括時間,那我們將為提高拒絕51%攻擊的能力打開很多大門。最容易獲得的屬性是弱主觀性:這種想法是,如果客戶端需要至少每3個月登錄一次,并且拒絕恢復時間超過這個時間,那么我們可以在權益證明中添加罰沒規則,使得攻擊變得昂貴。但我們可以走得更遠:我們可以拒絕恢復最終區塊的鏈,從而保護不變性,甚至可以防止審查。因為網絡是不可預測的,依賴時間確實意味著攻擊在某些情況下「默認為混亂」,但好處是非常值得的。
考慮到所有這些想法,我們可避免(i)過度中心化,過度冗余的驗證導致效率低下,以及錯誤的規范意外地使攻擊變得更容易,并更好地構建更具彈性、性能以及安全的區塊鏈。
來源鏈接:vitalik.ca
比特幣
比特幣
比特幣Bitcoin,一種去中心化、非普遍全球可支付的加密數字貨幣,而多數國家則認為比特幣屬于虛擬商品,并非貨幣。比特幣的概念,誕生于2008年署名為中本聰的一篇論文,并于2009年1月3日,基于無國界的對等網絡,用共識主動性開源軟件發明創立。比特幣協議數量上限為2100萬枚,以避免通貨膨脹問題。使用比特幣是通過私鑰作為數字簽名,允許個人直接支付給他人,不需經過如銀行、清算中心、證券商等第三方機構,從而避免了高手續費、繁瑣流程以及受監管性的問題,任何用戶只要擁有可連接互聯網的數字設備皆可使用。比特幣BTCBitcoin查看更多以太坊
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