区块链如何在避免过度中心化的同时保障验证效率?

原文标题:《Vitalik Buterin : 区块链验证的哲学
撰文:Vitalik Buterin,以太坊联合创始人
编译:洒脱喜

区块链最强大的特性之一,就是可独立验证区块链执行的每个部分。即使大多数区块链矿工(或 PoS 中的验证者)被攻击者接管,但如果该攻击者试图推送无效区块,网络也可以简单地拒绝它们。即使是某些时间段未验证区块的那些用户,也可以(潜在自动)获得验证用户的警告,此时他们可检查攻击者的链是否无效,并自动拒绝它,然后协调接受遵循规则的区块链。

但我们实际上需要多少验证呢?我们需要 100 个独立的验证节点,还是 1000 个?我们是否需要一种文化,使得全世界的普通人都能运行检查每笔交易的软件?这些问题是一个挑战,尤其是当我们要构建一个比「中本聪」最初创建的工作量证明(PoW)共识机制更好的区块链,那解决上面这些问题就显得非常重要。

为什么需要验证?

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡图:攻击者发动了 51% 攻击,而我们想要网络拒绝这条无效链

有两个主要原因可以解释,为什么用户去验证区块链是有益的。

首先,它最大限度地提高了节点能够正确地确定,并辨识规范链的机会(即被社区接受为合法的区块链)。通常,规范链被定义为「拥有最多矿工 / 验证者支持的有效链」(例如比特币中的「最长有效链」)。而无效链会被定义拒绝,如果在多个有效链之间进行选择,那么从矿工 / 验证者那获得最多支持的区块链就会获胜。因此,如果你有一个节点来验证所有的有效条件,从而检测出哪些链是有效的,哪些链是无效的,那你就可以最大限度地检测出规范链到底是什么。

验证区块链是有益的,还有另一个更深层次的原因。假设一个强大的参与者试图对协议发起更改(例如更改发行量),并且其得到了大多数矿工的支持。如果没有其他人验证这条链,那么这种攻击就很容易成功:每个人的客户端都会默认地接受新链,当任何人看到发生的事情时,将由持不同意见者来协调对这一区块链的拒绝。但是,如果普通用户正在进行验证,那么协调问题就落在另一面:现在,无论是谁试图更改协议,都有责任说服用户主动下载软件补丁,以接受协议更改。

如果有足够多的用户在验证,那么一个有争议的协议更改尝试,将默认为混乱,而不是默认为胜利。默认混乱仍然会造成很多混乱,这需要社区协调来解决,但它在攻击者面前设置了一个更大的障碍,它大大降低了攻击者的信心,从而降低其试图发动攻击的积极性。如果大多数用户正在验证(直接或间接),而攻击只获得了大多数矿工的支持,那么攻击将完全默认为失败,这会是所有攻击中最好的结果。

定义视图 vs 协调视图

请注意,这种推理与我们经常听到的另一种推理方式截然不同:根据「定义」,改变规则的链在某种程度上不是正确的链,而且不管有多少其他用户接受一些新规则,重要的是你个人可以继续使用你喜欢的旧规则。

以下是 Gavin Andresen 提出的「按定义」视图的一个示例:

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡

下面则是来自 Wasabi 钱包的另一个示例,从解释全节点为何有价值的角度来看,这一点更为直接:

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡

请注意此视图的两个核心组件:

  1. 根据定义,不接受你认为基本、不可协商规则的链不是比特币(或者不是以太坊或其他任何一条链),而不管有多少人接受这条链。
  2. 重要的是,你要留在一条你认为有可接受规则的区块链上。

然而,我认为这种「个人主义」的观点是非常错误的。为了了解原因,让我们看看我们所担心的场景:绝大多数参与者接受了协议规则的某些更改,而这些改变是你所无法接受的。例如,设想一个交易费用非常低的未来,为了保证区块链的安全,几乎所有其他人都同意修改一套增加发行量的新规则。然后你顽固地继续运行一个执行旧规则的节点,并且分叉到与大多数节点不同的区块链上。

从你的角度来看,你仍然可以将币放在可接受规则下运行的系统中。但是那又怎样呢?其他用户将不会接受你的币,交易所将不接受你的币,公共网站可能会显示新币的价格,但他们指的是大多数人接受的那条链,而你的币是没有价值的。

本质上,加密货币和区块链是社会结构,如果没有人相信它们,那它们就毫无意义。

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡

那么,另一种观点是什么呢?其核心思想是通过协调问题将区块链视为工程安全。

通常情况下,我们遇到的协调问题不会是什么好事:对于大多数人来说,如果英语能摆脱其高度复杂和不规则的拼写系统,或者如果美国改用公制,或者如果经济衰退时我们可以立即把所有的物价和工资降低 10%,那么在实践中,这需要所有人同时就转换达成一致意见,而这通常是非常困难的。

然而,在区块链应用中,我们可利用协调问题来发挥自己的优势。我们正在利用协调问题造成的摩擦,以作为防止中央集权行为者渎职的一道屏障。我们可以构建具有属性 X 的系统,并且我们可以保证它们将保留属性 X,因为将规则从 X 更改为非 X,需要一大堆人同意同时更新他们的软件。即使有一个参与者可以强制改变,这样做也很困难。

注意,这个观点会带来一个特别的结果:全节点的目的并不是为了保护你,在有争议硬分叉的情况下,拥有全节点的人是安全的,而没有全节点的人是容易遭受攻击的。相反,这里的观点更多的是群体免疫:验证的人越多,每个人就越安全,即使只有一部分人在验证,每个人都会因此得到高水平的保护。

深入研究验证

现在我们进入下一个主题,这个主题与轻客户端、分片等主题非常相关:通过验证,我们实际上实现了什么?为了理解这一点,让我们回到前面的一点,如果攻击发生了,我认为攻击的发生方式具有以下优先顺序:

默认为失败 > 默认为混乱 > 默认为胜利

这里的「>」当然是「优于」。最好的情况是攻击完全失败,其次是攻击导致混乱,每个人都不同意正确的链是什么,而最糟糕的则是攻击成功。为什么混乱要比胜利好得多?这是一个动机问题:混乱增加了攻击者的成本,并降低他们肯定会获胜的确定性,因此从一开始就阻止了攻击的企图。默认为混乱环境,意味着攻击者除了要赢得 51% 算力竞争,还需要说服社区跟随,这要比简单发起 51% 攻击要困难地多,也没有那么吸引人。

验证的目标是从默认胜利改为默认失败,或者默认混乱。如果你们都有一个全验证节点,并且攻击者试图推行一条具有不同规则的链,则攻击就会失败。如果有一些人有一个全验证节点,而其他人没有,那么攻击会导致混乱。但现在我们可以思考:有没有其他方法可以达到同样的效果?

轻客户端和欺诈证明

在这方面,一个自然的发展是带有欺诈证明的轻客户端。目前存在的大多数区块链轻客户端的工作原理,是验证大多数矿工支持的特定区块,而不必费心检查其他协议规则是否正在实施。客户端基于大多数矿工是诚实的信任假设运行。如果发生了一次争议分叉,则默认情况下,客户端会遵循多数链,如果用户希望遵循旧规则,则由用户采取积极的措施。因此,今天受到攻击的轻客户端会默认承认攻击是成功的。但有了欺诈证明技术,情况就开始不太一样了。

欺诈证明最简单的形式如下。通常,区块链中的单个区块只触及区块链「状态」的一小部分(账户余额、智能合约代码……)。如果一个全验证节点处理一个区块,并发现它是无效的,则它们可生成一个 package 包(即欺诈证明)。它们把这个 package 包广播给轻客户端。然后,轻客户端可以获取 package 包并使用该数据来验证区块本身,即使它们没有来自区块链的其他数据。

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡图:区块链中的单个区块只涉及少数账户。欺诈证明将包含这些账户中的数据以及证明数据正确的 Merkle 证明

这种技术有时也被称为无状态验证:客户端可以只保留区块头,而不是保留完整的区块链状态数据库,它们可通过向其他节点请求区块验证正在访问的任何所需状态项的 Merkle 证明来实时验证任何区块。

这种技术的强大之处在于,轻客户端只有在听到警报时才可以验证单个区块(并且警报是可验证的,因此,如果轻客户端听到虚假警报,则可以停止监听来自该节点的警报)。因此,在正常情况下,轻客户端仍然是轻客户端,它们仅检查大多数矿工 / 验证者支持哪些区块。但在那些例外情况下,多数链包含轻客户端不会接受的区块,只要至少有一个诚实节点来验证欺诈区块,该节点就会发现它是无效的,然后在它广播欺诈证明后,网络的其余部分就会拒绝它。

分片(Sharding)

分片是这一点的自然延伸:在分片系统中,系统中的事务太多,大多数人无法一直直接验证,但如果系统设计良好,则可以检测到任何单个无效区块,并用欺诈证明证明其无效,这个证明可以在整个网络上传播。一个分片网络,我们可概括为每个人都是一个轻客户端。而且只要每个分片有一定的最小阈值参与者数,网络就具有群体免疫性。

此外,在分片系统中,区块生产(而不仅仅是区块验证)是高度可访问的,甚至它可以在普通的笔记本电脑上完成,这一事实非常重要。网络核心不依赖高性能硬件,这使得多数人驱动的协议变更,更难以「默认获胜」。

这就是可审计性在现实世界中的含义:不是每个人都一直在验证所有事情,而是(i)每个特定部分都有足够的眼睛,如果有错误,它将被发现,以及(ii)检测到一个错误,则所有人都清楚可见。

也就是说,从长远来看,区块链肯定可以在这方面有所改进。一个特别的改进来源是 ZK-SNARKs (或「有效性证明」):有效可验证的密码学证明,允许区块生产者向客户端证明区块满足某些任意复杂的有效性条件。有效性证明比欺诈证明更强大,因为它们不依赖于交互式游戏来捕获欺诈。另一重要技术是数据可用性检查,它可防止数据未完全发布的数据区块。数据可用性检查确实依赖于一个非常保守的假设,即在网络的某个地方至少存在少量诚实节点,好消息是,这个最小诚实阈值很低,并且即使存在大量攻击者也不会增长。

时间和 51% 攻击

现在,让我们来了解下「默认为混乱」思维方式最糟糕的后果:自行进行 51% 攻击。目前很多社区的标准是,如果一次 51% 攻击成功,那么发生 51% 攻击的区块链必然会成为有效链。这一标准经常被严格遵守,最近发生的 ETC 51% 攻击就很好地说明了这一点。攻击者恢复了 3000 多个区块(在这个过程中通过双花窃取了 807,260 ETC),结果是,Geth 节点使用了攻击者的区块链,而 OpenEthereum 节点仍然保留在原始链上。

我们可以说,这次攻击实际上是默认混乱(尽管这是偶然事件,而不是由 ETC 社区故意设计的)。不幸的是,ETC 社区随后选择接受(较长的)攻击链作为规范链,这一举动被 eth_classic 描述为「遵循预期的工作量证明」。因此,社区规范积极帮助攻击者获胜了。

但我们可以设想一个规则,一旦客户端接受了一个区块作为规范链的一部分,并且该区块有超过 100 个后续区块,那么客户端从此将不再接受不包含该区块的区块链。或者,在具有最终确定性的权益证明(PoS)设置中(例如以太坊 2.0),想象一个规则,一旦完成一个区块,就永远无法还原。

Vitalik Buterin:论区块链验证去中心化与效率权衡

5 个区块还原限制仅用于说明目的,实际上,限制可能会更长,例如 100-1000 区块。

明确地说,这对规范性的确定方式带来了一个重大改变:客户端不再只查看它们自己接收到的数据,客户端还会查看数据是何时收到的。这引发了由于网络延迟而导致客户端不同意的可能性:如果由于一次大规模攻击而同时完成两个冲突的区块 A 和 B,有些客户端首先看到了区块 A,而有些客户端首先看到了区块 B,该怎么办?但我会说这很好:这意味着,尝试恢复交易的 51%攻击不会默认为胜利,而是默认为混乱,而带外应急响应,则可以帮助选择正确的链。

如果协议设计得很好,强制升级到带外应急响应,应该是非常昂贵的:在权益证明(PoS)中,这样做需要 1/3 的验证者牺牲他们的存款并遭到罚没。

有可能,我们可以扩展这种方法。我们可以尝试让 51% 审查交易攻击也默认为混乱。对及时性检测器的研究,进一步推动了所有类型的攻击都默认为失败方向,尽管由于时间检测器不能帮助那些连接不好且在线的节点,因此仍然存在一些混乱。

对于一个重视不变性的区块链社区来说,实施这种还原限制可以说是上乘之选。很难诚实地宣称区块链是不可变的,无论一笔交易在一条区块链中被接受了多长时间,总有可能有一些强大参与者的意外活动出现,并将其还原。当然,我会声称,即使是 BTC 和 ETC,也已经在极端情况下设置了还原限制。如果发生的攻击使活动恢复了数周,则社区可能会采用用户激活软分叉来拒绝攻击者的区块链。

结论

首先,如果我们接受社会协调的合法性,并且接受涉及「 1-of-N」信任模型的间接验证合法性(也就是说,假设网络中某个地方存在一个诚实的人),那么我们可以创建可扩展性更高的区块链。

其次,客户端验证对于所有这些工作都至关重要。只有少数人运行节点,而其他人依赖这些节点的网络,很容易被特殊利益集团接管。然而,避免这样的命运并不需要走到相反的极端,即无需让所有人总是验证一切!允许单独验证每个区块的系统,因而用户只在其他人发出警报时验证区块,这是完全合理的,并具有相同的效果,但这需要接受验证的「协调视图」。

第三,如果我们允许规范性的定义,包括时间,那我们将为提高拒绝 51% 攻击的能力打开很多大门。最容易获得的属性是弱主观性:这种想法是,如果客户端需要至少每 3 个月登录一次,并且拒绝恢复时间超过这个时间,那么我们可以在权益证明中添加罚没规则,使得攻击变得昂贵。但我们可以走得更远:我们可以拒绝恢复最终区块的链,从而保护不变性,甚至可以防止审查。因为网络是不可预测的,依赖时间确实意味着攻击在某些情况下「默认为混乱」,但好处是非常值得的。

考虑到所有这些想法,我们可避免(i) 过度中心化,(ii)过度冗余的验证导致效率低下,以及(iii)错误的规范意外地使攻击变得更容易,并更好地构建更具弹性、性能以及安全的区块链。

来源链接:vitalik.ca