科普 | Layer-2 中的有效性證明與錯誤性證明_區塊鏈

引言

在本文中，我們將從錯誤性證明與有效性證明的區別出發，分析和比較不同的Layer-2可擴展性方案。我們斷言，相較之下，有效性證明在根本上具有優勢，因為有效性證明方案保證了只有合形式的狀態轉換才會被接受。

背景

在最近幾個月，基于證明的以太坊可擴展性方案——比如?Truebit、GluonPlasma、dFusion、Roll-Up?以及?Ignis?這樣的項目——開始浮出水面，讓人頗為激動。這些項目背后的理念很簡單：與其給區塊鏈寫入很多交易，不如產生一個證明，可以簡潔地表示這些交易，進而表示出新的狀態。

上面提到的所有項目都是Layer-2方案：它們定義了一種運行在Layer-1上的協議，并且基于這些協議來提供多種服務：存儲資金/取出資金、一個根據鏈下狀態時時更新的賬本，并作為一種“全局時鐘”而運作。重要的是，這些協議沒有嵌入Layer-1，因此Layer-1也無法強制執行任何Layer-2的邏輯。

火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻:據官方消息，8月24日，火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻，并與微博財經合作冠名播出，布道DeFi認知，助力行業發展《一分鐘讀懂DeFi》是由火幣成長學院打造的業內首個系統全面講解DeFi的系列科普動畫，繼推出《區塊鏈100問》后的再續佳作。《一分鐘讀懂DeFi》系列動畫對DeFi的發展進行系統梳理，適合想要由淺入深、全面系統了解區塊鏈DeFi的人們輕松了解DeFi。目前視頻已由火幣網官方微博發布。[2020/8/24]

在此，我們想展開一種框架來比較這些方案，尤其是關注“錯誤性證明”與我們所謂的“有效性證明”之間的區別。錯誤性證明和有效性證明不是Layer-2的專利，在Layer-1上也可以存在，但當前大家僅在Layer-2上做嘗試，因此我們的分析也都基于Layer-2方案。

錯誤性證明即表示某個狀態轉換不正確的證據。這種方案反映了一種樂觀的態度：假設?區塊上表示的Layer-2狀態都是正確的，除非有人能證明不是。實際上，提交到鏈上的區塊也很有可能包含著一次不合邏輯的狀態轉換。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

有效性證明即表示某個狀態轉換正確的證據。這種方案的態度更為消極：當且僅當某個狀態是正確的，區塊才應該包含代表相應Layer-2狀態的值。

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

在繼續推進分析之前，有必要強調的是：證明系統既可以被用作錯誤性證明，也可以用作有效性證明。我們不應該混淆證明的方式和證明的目的。

深度分析

錯誤性證明

錯誤性證明的主要優點是無需為每一次狀態轉換都提供證明，只在系統需要中斷的時候提供。因此，錯誤性證明方案需要的計算資源更少、更適合可擴展性受限的環境。這種方案的主要缺點則來源于其非交互性：它定義了多方之間的“會話”。一次會話要求各方——尤其是斷言狀態轉換有誤的一方——必須在線，并且允許其它方用多種方式打斷會話。但問題的核心是：協議會將沉默視為默示的同意。實際上，攻擊者完全可以嘗試用DDoS攻擊制造出表面的沉默。

金色財經獨家分析 監管機構、媒體、業界提示詐騙風險 區塊鏈科普道阻且長:新華社今日發文表示，近來“區塊鏈”類詐騙案件頻發，不法分子以“投資虛擬貨幣周期短、收益高、風險低”為借口，騙取用戶信任并誘使其轉賬進行投資。無獨有偶，同日消息，騰訊手機管家安全專家也提醒此類風險，并從技術上提出防騙建議。在美國，監管機構警示加密貨幣欺詐現象普遍承諾高收益而不披露潛在風險。金色財經獨家分析，不法分子假借新技術之名進行詐騙，一方面是抓住民眾趨利的心理，一方面反映出區塊鏈科普的欠缺。區塊鏈是新興科技和底層技術并有改變社會生產關系的潛力，應該進行系統性的科普教育，當前，部分大學已經開始設置了區塊鏈課程，但對于普通民眾仍然有科普的需求，人們應該了解到系統和正確的知識，不僅要了解區塊鏈的好，也要明確局限和弊端，以在高收益的誘惑下，保持清醒客觀。[2018/4/11]

概念上，錯誤性證明方案可以表述如下：因為區塊有可能包含不正確的狀態轉換，錯誤性證明協議設定了一個時間框架——糾紛時間窗口——來處理不正確的狀態。這一窗口的長度也是用區塊數量來定義的。如果在糾紛時間窗口內無人提交錯誤性證明，相應的Layer-2狀態轉換就會被認為是有效的。如果有人向智能合約提交了錯誤性證明，而且經證明是正確的，則智能合約會將Layer-2狀態回滾到最后一個正確狀態。除此之外還可能實施對作惡一方的懲罰，等等。

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

DTF時間長度的選擇很重要：DTF時間越長，發現錯誤狀態轉換的幾率就越高——聽起來很棒。但同時，時間越長，用戶需要等待的時間也越長，這就是一個副作用了。

有效性證明

有效性證明總體上說更為簡單：向一個智能合約發送一些鏈下計算已然發生的證據。智能合約僅在一個新值被證明為正確之后才更新區塊鏈。有效性證明的主要優點是區塊鏈上總是能反映出一個正確的Layer-2狀態，而且一個新狀態可以即時使用。而主要缺點就是每個、每次狀態轉換都需要一個證明，不單單是狀態轉換受到質疑時才需要提交證明，這就影響到了其可擴展性。

51%攻擊

在多種可能的攻擊方法中，我們主要關注Layer-1上的51%攻擊。最近51%攻擊頻發，連以太坊經典也未能幸免。那么錯誤性證明和有效性證明如何應付這種攻擊呢？

錯誤性證明：一場51%攻擊會在區塊鏈中引入一個欺詐性的狀態，比如從交易所中“偷取”一些資金。細節如下：

攻擊者用一個欺詐性的狀態轉換創建了區塊BlockFr。例如，區塊中包含了一筆交易，將交易所中所有的資金轉移到攻擊者的賬戶。

在BlockFr之后，他們還會接上DTF區塊，以一個包含取款交易的區塊告終。

然后他們在DTF區塊后面繼續生成區塊，直到超過當前鏈成為更長的鏈。他們能這么做是因為他們掌握了51%的算力

難搞的是，發動這樣一場攻擊的運營成本跟“獎金”規模無關。這就意味著，隨著密碼學貨幣交易所的體量上升，攻擊交易所會越來越有吸引力。

總而言之，問題的根源在于Layer-2解決方案定義了自己的邏輯，而且允許一個區塊包含欺詐性的的狀態轉換。這樣一來，攻擊者偷盜資金之后的賬本狀態也會被認為是一個合法的狀態！甚至都沒有什么雙重花費，只是出現了一樁欺詐。

有效性證明：51%攻擊只能遮蔽已有的賬本歷史，可能可以提供另一種歷史；但重要的是，這一新的歷史也是完全合形式的。這里所說的攻擊范圍僅限于在Layer-1上可能發動的攻擊。在幣幣交易所中，覆寫歷史的勾當有時候是一本萬利的：例如，一個賣家，可能會很樂于遮蔽掉一筆時候來看成交價位于谷底的交易，但是，在給定區塊鏈上的交易所中，沒有辦法可以直接吞掉對方的錢。

我們提議的解決方案

如果有這么明顯的劣勢，錯誤證明型系統還會作為一個選項？

主要原因就是提供有效性證明迄今為止都仍是非常昂貴而且繁瑣的。

在使用證明系統以前，免許可系統中唯一一種“有效性證明”就是簡單重復運算，因此可擴展性大為受限；而且，這種重復計算直至今天仍在Layer-1上使用，雖然眾所周知它是可擴展性的一個障礙。證明系統則提供了一種非常有吸引力的特性，叫做?簡潔性：為了驗證一個狀態轉換操作，你只需要驗證一個證明，而且驗證的開銷是完全獨立于狀態轉換的計算量大小的關系）。

Ignis/Roll-up都基于SNARK，需要一個受信任的初始設定，并且相較于STARK，需要證明者使用更多的計算資源。StrakWare正在努力部署StarkDEX，為去中心化交易所提供可擴展性方案；他會使用STARK來實現有效性證明，我們預計會在2019年第一季度末部署到測試網上。

結論

本文比較了錯誤性證明和有效性證明作為Layer-2可擴展性方案的工具價值。我們強調了有效性證明應對51%攻擊的內在優勢。而STARK，因為證明時間更快，而且驗證簡單、無需受信任的初始設定，是一種生成有效性證明的有力工具。

感謝DanRobinson、LindaXie、AlexeyAkhunov以及GeorgiosKonstantopoulos審讀本文的初稿。

原文鏈接:?https://medium.com/starkware/validity-proofs-vs-fraud-proofs-4ef8b4d3d87a作者:?AvihuLevy&UriKolodny翻譯:?阿劍

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