為什么Polkadot的GRANDPA協議不夠安全？_AIN

本文將討論Polkadot為解決拜占庭容錯問題而提出的共識協議——GRANDPA協議。在本文中，我們默認讀者已經熟悉拜占庭容錯問題，所以我們將直接介紹Polkadot的GRANDPA協議是如何解決拜占庭容錯問題的。首先，我們將簡潔明了地介紹GRANDPA協議的主要內容。然后，我們將討論可能導致GRANDPA協議失效的攻擊方式。最后，我們會就如何解決上述安全漏洞，提出可能的解決方法。

概率確定性與可證明確定性

經由Casper FFG（Friendly Finality Gadget）協議啟發，GRANDPA是一種新的、拜占庭容錯的(BFT)、確定性工具的（Finality Gadget）共識協議。確定性工具（Finality Gadget）是一套經由一定提議機制而最終確定一條區塊鏈上內容的機制。由“確定性工具”最終確認的鏈上內容，具有最終性，即不可逆。

DCG償還3.5億美元貸款，CFO辭職:金色財經報道，Digital Currency Group表示，該公司首席財務官Michael Kraines已于4月卸任。一封致股東信顯示，DCG已聘請人力中介Heidrick & Struggles尋找新的CFO。此外該公司還在第一季度全額償還了一筆3.5億美元的優先擔保貸款。

Digital Currency Group公布的數據顯示，該公司第一季度收入為1.8億美元，比第四季度增長63%。根據利息、稅項、折舊及攤銷前調整后收益(Ebitda)計算，該公司上季度錄得600萬美元虧損。[2023/5/3 14:39:15]

正如Polkadot Wiki上所說：“那種運行純粹中本聰式POW共識協議的區塊鏈，只能達到概率確定性并完成最終共識。”與之相對，像GRANDPA或Casper FFG之類擁有確定性工具機制的協議，則可以為我們提供更強大的保證，稱為可證明確定性。GRANDPA的確定性工具機制帶來的可證明確定性，保證了經過一定共識機制運作之后，那些被最終確認的區塊里的內容將永不可逆。

吳彥祖宣布成為IP Genesis創作者，或將參與發行NFT:金色財經報道，吳彥祖在推特上轉載一條推文并在視頻中宣布成為IP Genesis創作者，該視頻共創者名為0xGNSS，主頁官網帶有 NFT 字樣，顯示該 IP 與 NFT 創作相關。[2023/4/14 14:04:47]

Polkadot的GRANDPA

Polkadot，是通過一個提名權益證明（NPoS）系統，將BABE用作其區塊生成機制的（BABE，即著名的Blind Assignment for Blockchain Extension，即區塊鏈擴展盲分配）。這個系統使用提名權益證明機制（NPoS），顧名思義，這個系統會通過一個提名過程選出驗證者。在這個區塊鏈系統中，為了從一個普通的參與者變成一個提名者，參與者需要先將其代幣作為抵押品。這之后，這個升級為提名者的參與者，就可以提名他/她認可的節點作為驗證者了。當被他/她提名的驗證者偏離協議，他/她抵押的權益就將被削減，作為懲罰；相反，當被他/她提名的驗證者遵守協議時，他/她也會獲得報酬，作為獎勵。另外值得一提的是，在這個區塊鏈系統中，當選了的驗證者在共識協議中的投票權是同等的。

Blockchain Capital賣出153萬枚LDO和6.5萬枚RPL，獲利223萬美元:金色財經報道，據推特用戶余燼監測，Blockchain Capital在今早賣出了大部分LSD幣種并獲得223萬美元收益。Blockchain在22年1月27日-2月22日買入1,535,919枚LDO，買入均價1.67美元；4小時前將1,535,919枚LDO賣成1,871ETH（357萬美元），賣出均價2.33美元；Blockchain的LDO投資獲得101萬美元收益；Blockchain在21年10月8日和22年4月15日通過Uniswap買入120,775枚RPL，買入均價34.4美元；4小時前將65,352枚RPL賣成1,522ETH（290萬美元），賣出均價44.5美元，Blockchain的RPL投資獲得122萬美元收益。[2023/4/12 13:58:34]

有了GRANDPA（GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement）作為它的確定性工具機制，Polkadot的中繼鏈包含兩個不同的協議，分別對應兩種不同類型的網絡。我們要討論的是第一個協議。這個協議對應的網絡，是部分同步的，并且最多可以有1/3的參與者是惡意的。我們生活中遇到的網絡，通常都是部分同步的。這是一個分布式系統的專業術語，簡而言之，是指：網絡在大多數情況下是同步的，當網絡不同步時，經過一定時間，也會回到同步的狀態（同步也是分布式系統的專業術語，這個可以暫時理解成日常用語里的“同步”）。

國家統計局：2022年中國GDP同比增長3%:1月17日消息，國家統計局17日公布數據顯示，初步核算，2022年全年國內生產總值1210207億元，按不變價格計算，比上年增長3.0%。（人民網）[2023/1/17 11:16:09]

關于GRANDPA，值得注意的是：1）只有被確定性工具機制最終確認的區塊能影響區塊的生成  2）可以同時為不同高度的多個區塊投票，這與Casper FFG不同。

本文只討論Polkadot的第一個協議。它專為部分同步網絡設計，不能容忍網絡分區或DoS攻擊。另外值得注意的一點是，該協議假定在未知時間GST之后，網絡變為同步。

每個參與者都存儲一個由BABE產生的區塊樹，這個區塊樹的根區塊是創世塊。參與者可以對樹上的一個區塊投票。如果一個區塊B獲得X票，X票包括了B自己和B的子孫節點的所有票。然后，?-GHOST函數g（S）返回獲得票倉S里絕對多數的區塊中區塊高度最大的那個區塊，記作B。

Teddy Doge出現Rugpull，項目方卷款超455萬美元:7月26日消息，基于BNB鏈的區塊鏈項目Teddy Doge被質疑Rug pull，項目方的錢包出售了價值超過450萬美元的原生TEDDY代幣，兌換成1萬枚BNB(約255萬美元)和200萬枚BUSD（200萬美元），致使其代幣TEDDY價格接近歸零。PeckShield 今日于社交媒體表示，標記為官方的錢包將300億枚TEDDY代幣匯入PanckSwap兌換成1萬枚BNB和200萬枚BUSD后，又緩慢地轉入到幣安一個匿名錢包(0x902…)，派盾將這些行為稱為“軟性拉地毯”（soft Rug pull）。

PeckShield 補充說，與該項目相關的地址將 TEDDY 換成了打包的 BNB，而后者又換成了超過 10,000 BNB 和 200 萬 BUSD。然后將轉換后的資金發送到加密貨幣交易所 Binance。[2022/7/26 2:37:19]

然后，區塊作者著手確定這個區塊B在票倉S中獲得絕對多數的可能性。GRANDPA協議的論文《Byzantine Finality Gadgets》這樣定義：“我們說，如果至少有2t + 1張票是超額投票（即一個投票者投了多于一張票）或者投給了除B子孫區塊的其他區塊，那么區塊B在票倉S中占據大多數是不可能的；否則，區塊B在票倉S中獲得絕對多數是可能的。”此外，論文還指出，“一個區塊B在一個票倉S里獲得絕對多數是可能的，當且僅當存在一個容錯票倉T，T是票倉S的子集，并且區塊B在票倉T中占絕對多數。”

這個協議在實踐中會出現以下的幾個問題：

如果我們假設區塊B和C不一致，而t個惡意投票者加1個誠實投票者投票給了B，2t個誠實投票人投給了C，那么根據上述定義，B得到絕對多數是可能的。然而，因為誠實的投票人不會超額投票，所以票倉S里不總是有一個子票倉T使得T里有絕對多數。這就使得GRANDPA無法實現活躍性保證。接下來，我們將詳細介紹這種情況。

假設我們保持相同的情況，以B和C作為在某個回合r中產生的兩個子區塊-也就是說，BABE在此回合經歷一個分叉，并且結果產生了兩個子塊B和C。

在第r輪，t + 1個投票者（所有t個惡意投票者+ 1個誠實投票者）投票給B，其余2t誠實投票者投票給C。因此，對每個投票者i，我們的g（）函數都會從前一個回合的estimate，E_ {r-1，i} [ E_{r,v} 表示投票者v在r輪的一個estimate，這個estimate包含了所有本可以在r輪最終確定卻實際上沒有被最終確定的區塊的信息，詳見論文《Byzantine Finality Gadgets》] 中輸出一個向B、C的一個祖塊。相應地，每個參與者都預先承諾（pre-commit）該祖塊。（值得注意的是，即使是網絡上誠實的節點，也可能由于網絡延遲或異步而出現這種分裂的投票結果。一個誠實節點可以首先接收到區塊B，因此它投票給B。其他誠實節點首先接收到C，因此他們投票給C。）

現在，每個投票者i估計從第r-1輪的E_ {r-1，i}來的祖塊可能是哪個塊。由于C_ {r，i} [ C_ {r，i}表示參與者i在r輪收到的所有預先承諾（pre-commits）] 可能導致E_ {r，i}的任何子級得到多數投票，因此回合r無法完成，整個共識過程失敗。

即使可以通過修正GRANDPA中的語義定義來解決此處討論的問題，我們也可以類似地將在Tendermint協議的討論中提到的那些攻擊用于GRANDPA。最終，我們只能得出結論，GRANDPA協議在上述網絡中不安全。

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