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鏈下擴容方案之鏈下計算,尚在征途的擴容良方——區塊鏈技術引卷之十三_ARK:Polkamarkets

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Time:1900/1/1 0:00:00

通證通研究院×FENBUSHIDIGITAL聯合出品

文:宋雙杰,CFA;田志遠;王澤龍;金佳豪

特別顧問:沈波;Rin

導讀

鏈下計算是區塊鏈鏈下擴容的解決方案之一,目前已經提出了多種鏈下計算方案并且正在逐步落地。

摘要

當前區塊鏈普遍面臨鏈上數據處理能力不足的短板,制約了區塊鏈進一步應用的可能性。以此為背景,鏈下計算作為擴容方案之一被提出,其基本思路是將原本置于鏈上處理的各類事務,移至鏈下處理,而鏈上僅保留驗證的部分,以此間接提升鏈上的數據處理能力。

鏈下計算主要包括可驗證的鏈下計算、“飛地型”鏈下計算、鏈下安全多方計算、激勵驅動型鏈下計算四種方式。它們各自存在優劣勢,有些方案較為新穎,較少甚至沒有項目部署,如zk-STARKs、Bulletproofs等,有些方案則已經過了大型項目的檢驗和認可,如zk-SNARKs。

可驗證的鏈下計算涉及到兩類角色:驗證者與證明者,前者位于鏈上,后者位于鏈下。

“飛地”型鏈下計算基于TEE。在該計算模式中,鏈下計算專門于可信的“飛地”中進行。

安全多方計算可以實現在各方均不知道完整數據內容的情況下,通過聯合它們對各自部分數據的計算結果,得到最終結果。

激勵驅動型鏈下計算假設參與計算的各方都是理性的經濟人。該模式主要涉及到兩類角色:處理計算任務的求解者、重新計算求解者所處理過的計算任務并檢驗其是否有誤的驗證者。但在一些方案中會引入更多的角色。

Arkham:不隸屬于政府機構,Arkham Intel Exchange不允許交換鏈下個人信息:7月11日消息,區塊鏈數據公司Arkham發推澄清稱,Arkham的主要用戶是交易者,交易者使用Arkham來分析加密貨幣市場活動。Arkham Intel Exchange 主要是用于鏈上分析和標記,并為其創造了一個流動性市場,因此鏈上研究人員可以更輕松地將其工作貨幣化并交換信息。Arkham Intel Exchange 不允許交換鏈下的個人信息,如地址或電話號碼。任何要求或包含此類個人信息的帖子都不允許出現在交易所上。

Arkham 稱其不是一個秘密的政府項目,不隸屬于政府機構,而是加密原生團隊。關于是否會出售用戶數據或將其用作平臺上的信息,Arkham 表示,用戶專用標簽、導入的地址或任何其他用戶數據均未在平臺上使用,Arkham 沒有也永遠不會出售用戶數據。[2023/7/11 10:48:44]

目前,多種鏈下計算方案已經取得進展或正在落地,鏈下計算作為區塊鏈的擴容方案之一,未來將獲得進一步的發展和應用。

風險提示:技術進展不及預期、鏈上鏈下信道安全

目錄

1鏈下計算,鏈上驗證

2鏈下計算的四種主要模式

2.1可驗證的鏈下計算

2.2“飛地”型鏈下計算

2.3鏈下安全多方計算

2.4激勵驅動型鏈下計算

3尚在征途,逐步落地

正文

鏈下計算是區塊鏈鏈下擴容的解決方案之一。

報告:鏈上和鏈下市場積累的大部分過度杠桿已被去杠桿化:金色財經消息,Glassnode和CoinMarketCap報告表示,2022年的熊市對所有數字資產投資者來說都是一個挑戰,并且是市場內許多結構性轉變的根源。鏈上和鏈下市場積累的大部分過度杠桿已被去杠桿化,DeFi鎖定的總價值下降了71.5%。到目前為止,2022年是市場預期的重大調整,廣泛的去杠桿化,理想情況下,是一系列新基礎的開始,甚至更高的結構都可以在此基礎上建造。[2022/7/30 2:46:57]

1.鏈下計算,鏈上驗證

新交易的發生導致鏈上的“狀態”發生了改變,區塊鏈可以被看作是處理一個“狀態轉換”函數的機器。鏈下計算是一種將計算“狀態轉換”函數的過程由鏈上轉移至鏈下,而后相應的結果交由鏈上驗證的模型。

首先,任意鏈下節點從區塊鏈中檢索相關的狀態作為輸入。與鏈上對數據完全公開的處理模式不同,鏈下計算過程中的相關信息可以是公開的,也可以是私密的。

基于輸入值,鏈下的節點計算出“狀態轉換”函數的結果,而后將其發送至鏈上。公開的輸入無需隱藏計算過程,而私密輸入的計算過程則需要保持私有。鏈上對該函數值進行校驗,如果函數值正確,則其被記入鏈上的狀態。

為什么需要引入鏈上驗證的環節呢?因為鏈下計算“狀態轉換”函數并提交結果時,可能存在造假或者欺詐的情況,引入鏈上的驗證者則可以有一個校正的B計劃。

2.鏈下計算的四種主要模式

港股開盤:歐科云鏈下跌2.25%,火幣科技上漲1.09%:金色財經報道,港股開盤,香港恒生指數開盤上漲59.72點,漲幅0.25%,報23792.24點,歐科集團旗下歐科云鏈(01499.HK)報0.174點,開盤下跌2.25%;火幣科技(01611.HK)報2.77點,開盤上漲1.09%,雄岸科技(01647.HK)報0.236點,開盤上漲0.43%。[2020/6/2]

2.1可驗證的鏈下計算

要實現可驗證的鏈下計算模型,有三種算法可以作為路徑:

概念

這一模式涉及到兩類角色:驗證者與證明者,前者位于鏈上,后者位于鏈下。該模式的運作過程同鏈下計算的基本定義類似,在此不贅述。

主要特性

非交互性。證明者能夠在一條信息中,使驗證者信服。交互性強的方案將產生多筆區塊鏈事務,增加區塊鏈網絡的負擔并抬高驗證成本。

低廉的驗證成本。特殊情況下,如對機密性的信息進行檢驗時,相對較高的驗證成本是可接受的;否則正常情況下,鏈下計算+鏈上驗證的成本應該低于純粹的鏈上計算成本。

實現情況

要實現可驗證的鏈下計算模型,有三種算法可以作為路徑:

1)zk-SNARKs

zk-SNARKs是零知識證明這一算法的變體,其名稱是:Zeroknowledge、Succinct、Non-interactive以及ArgumentsofKnowledge、Proofs這些詞匯的復合縮寫。

相比零知識證明這一“本體”,zk-SNARKs使得證明者和驗證者間互動極少甚至沒有,并且其驗證成本較低,計算安全性相對較高。

聲音 | 朱永官:建立智能系統以應對區塊鏈下城市發展的復雜性:據科技日報消息,在關于該如何提高城市的韌性與適應性方面,中科院城市環境研究所黨委書記朱永官研究員表示,“隨著城市體系的不斷變化,如區塊鏈等的出現,我們需要建立智能系統,學習如何應對復雜性。”[2018/10/23]

目前,zk-SNARKs依賴于證明者和驗證者之間的初始化可信設置——這意味著需要一組公共參數來構建zk-SNARKs,從而創建私有事務。這些參數被編入協議中,是證明交易有效性的必要因素之一。其潛在的問題是,參數通常由小部分群體制定,可能存在信任問題。此外,在理論上,如果證明者擁有足夠的算力,就可以提交假證據,影響整個系統。這是為什么量子計算機被認為是這種算法的威脅的原因。

目前部署zk-SNARKs算法的知名項目有Zcash、Loopring等。

以太坊也有望部署zk-SNARKs。2019年1月份時,以太坊基金會與初創企業Matter在以太坊測試網絡上,聯合發布了使用zk-SNARKs的側鏈擴容方案。

2)Bulletproofs

該算法是由倫敦大學學院的JonathanBootle與斯坦福大學的BenediktBunz于2017年末共同提出,它屬于非互動性的零知識證明可驗證計算方案,相較zk-SNARKs,它的驗證成本更高一些,但是不需要可信的初始設置。

Monero是主要加密通證中率先部署Bulletproofs這一算法的。據Monero官網所述,2018年夏季,其社區發布了針對Monero部署Bulletproofs的審計報告,且Bulletproofs率先在MoneroStagenet上部署,至2018年10月,Monero主網完成了Bulletproofs的部署。

聲音 | 貨幣區塊鏈分析師:游戲是區塊鏈下一個殺手級應用:8月11日消息,在南京召開的2018中國區塊鏈領軍人才高峰論壇上,貨幣區塊鏈首席分析師丁元參加了主題為《區塊鏈行業未來3年的落地應用方向與機會》的圓桌討論, 他在回答“區塊鏈下一個殺手級應用誕生在哪里”一問時表示,游戲是區塊鏈下一個殺手級的應用。他稱:\"短時間內用什么方式讓大家達成共識,一是賺錢效應,二是與游戲相關的東西。\"[2018/8/11]

據MoneroResearchLab研究人員SarangNoether的說法,自Bulletproofs部署以來,Monero上事務的平均體積下降了80%,交易費用也顯著下降。

3)zk-STARKs

該算法由以色列理工學院的Eli-Ben-Sasson教授創造。它是zk-SNARKs的替代品,并且被認為是一種更高效的算法,但囿于其難以部署的現狀,未來是否會有更高的性價比尚未可知。

與Bulltetproofs類似,zk-STARKs不需要初始化可信設置——因為它使用抗碰撞哈希函數進行更精簡的對稱加密,并且該算法消除了zk-SNARKs中存在的數論假設——后者執行成本高且易受到量子計算機的攻擊。

但是相比于zk-SNARKs,它的缺點在于證明可能會更復雜,從而限制了其潛在性能的發揮。

2.2“飛地”型鏈下計算

概念

這一計算模式基于TEE。在該計算模式中,鏈下計算專門于可信的“飛地”中進行,“飛地”的每一條消息都可以被可信的外部實體認證并出具證明。啟動計算時,公開的輸入值從區塊鏈上獲得,而私密的輸入值則由鏈下節點選擇性地加入進去。輸出結果的完整性通過鏈上驗證“飛地”的證明進行驗證。一旦驗證成功,新的狀態會被記入區塊鏈。

實現情況

目前Enigma與Ekiden等項目嘗試了該方案。

在Enigma項目中,計算既可在鏈上執行,也可在單獨的鏈下“飛地”中執行。Enigma的特定腳本語言允許開發者將目標項標記為私密的,進而強制要求以鏈下模式進行計算。

與Enigma相反,Ekiden不支持鏈上計算,區塊鏈僅被用于持久的狀態存儲。代碼和私有輸入值由僅同“飛地”通訊的鏈下客戶端提供,一旦計算完成,“飛地”將結果直接反饋回客戶端,與此同時,狀態被記錄到區塊鏈中。

2.3鏈下安全多方計算

概念

安全多方計算可以實現在各方均不知道完整數據內容的情況下,通過聯合它們對各自部分數據的計算結果,得到最終結果。

鏈下安全多方計算的實現效果也是如此,區別之處在于引入了鏈上、鏈下的概念:

首先,隱私數據被分為多份,并以私密輸入值的形式分布在一眾鏈下節點間。區塊鏈當前的狀態值可被作為公共輸入值。然后鏈下節點計算各自部分的鏈下狀態轉換值。

鏈下節點發布各自結果并進行組合,然后將其置于鏈上。

鏈下安全多方計算協議需要滿足的一個特性是公共審計,具體的一個例證是,不參與上文過程的審計者可以校驗計算結果的正確性。由此,計算結果的正確性可被鏈上審計者在驗證階段校驗,或由鏈下審計者通過評估鏈上審計者的審計跟蹤來校驗。

實現情況

安全多方計算的實現手段一般來說可分為三類:

1)基于Yao混淆電路的構造方法;

2)基于秘密分享的構造方法;

3)基于同態加密的構造方法。

目前已有較多項目嘗試使用安全多方計算協議,如Defi、Enigma等。

2.4激勵驅動型鏈下計算

概念

該模式假設參與計算的各方都是理性的經濟人。該模式主要涉及到兩類角色:處理計算任務的求解者、重新計算求解者所處理過的計算任務并檢驗其是否有誤的驗證者。但在一些方案中會引入更多的角色。

實現情況

激勵驅動型鏈下計算中最知名的解決方案莫過于TrueBit,其基本原理為:

用戶提出計算需求并支付傭金,如果某個鏈下的求解者認為傭金價格符合預期,則進行計算并公布結果。此外,求解者也需要提供一筆保證金。

相對于用戶與求解者而言的第三方——驗證者,可重新運行上述計算并檢驗其是否有誤;如若發現求解者給出錯誤結果,則可以發起挑戰,提交到鏈上仲裁。同樣地,驗證者需要提供一筆保證金。

通過鏈上的智能合約,求解者與驗證者共同進行一個驗證游戲,而用戶置于鏈上的代碼則被用于驗證求解者、驗證者雙方答案的真偽,正確一方獲取傭金,另一方則需支付整個驗證過程所產生的gas費用。

TrueBit還設計了累積獎金機制,用以維護驗證者生態環境。系統會隨機選擇一些交易,要求求解者同時提交正確答案和強制錯誤,二者之一會上鏈請求驗證,當強制錯誤被驗證者驗證并挑戰時,求解者無需遭受懲罰。所有事務的傭金將被抽取一小部分,匯聚成獎金池,用以在累積獎金機制中支付給挑戰成功的驗證者。

3.尚在征途,逐步落地

在可驗證的鏈下計算的三種實現中,由于初始化可信設置的存在,zk-SNARKs的計算成本相對較高,但是在初始化可信設置完成后,其證明難度與驗證的復雜性都很低;zk-STARKs與Bulletproofs兩種算法不需要初始化可信設置,計算成本相應較低,但證明難度與驗證復雜性卻較高,這是其應用的掣肘所在。

從安全性方面來看,激勵驅動型鏈下計算依賴于系統中至少有一位誠實的參與者的假設,惡意的驗證者能夠用提交錯誤答案的方式挑戰每一個計算步驟,讓所有任務經過鏈上的“挑戰”環節,影響系統整體的速度與安全性能。

“飛地”型鏈下計算的缺點是其依賴于TEE。如英特爾的SGX,一種允許Inter處理器創建一個“小黑匣”作為TEE的技術,曾在黑客攻擊前失去效用。

目前,多種鏈下計算方案已經取得成效或正在落地,如Monero成功部署Bulletproofs后事務體積顯著降低;以太坊在測試網使用zk-SNARKs,TPS有望達到500;首個致力于部署zk-STARKs的項目StarkWare也已在測試當中。

注:通證流通市值、Twitter關注人數數據截至2019年7月20日。

鏈下計算正在進入各大項目的視野,未來將獲得進一步的發展和應用。憑借各種優異的特性,鏈下計算成功吸引了各方注意,例如Zcash和Menero分別部署了zk-SNARKs和Bulletproofs,以太坊核心開發者對zk-SNARKS在擴容方面的表現表示認同,未來使用該技術的鏈下計算擴容方案或將推及整個以太坊。

附注:

因一些原因,本文中的一些名詞標注并不是十分精準,主要如:通證、數字通證、數字currency、貨幣、token、Crowdsale等,讀者如有疑問,可來電來函共同探討。

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