证明系统哪家强:欺诈证明(Fraud Proof)vs.有效性证明(Validity Proof)

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在这篇文章中,我们基于欺诈证明(Fraud Proof)和有效性证明(Validity Proof)之间的区别,分析和比较各种2层(L2)可扩展性解决方案。我们认为,有效性证明拥有根本性优势,因为它确保只有正确的状态转换才会被接受。

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背景

最近几个月出现了几个旨在解决以太坊可扩展性问题的项目(诸如Truebit,Gluon Plasma,dFusion,Roll-Up和Ignis等),它们都是基于证明的。基本的想法很简单:不用将很多交易写入区块链,而是生成一个证明(proof),用这些交易的某些简洁表示(例如哈希)来代表新的状态。

上述提到的项目都是L2解决方案:它们定义了一个在1层(L1)上运行的协议(和逻辑),依靠它来提供各种服务,如存款/取款,确认链下状态的分类账以及作为“通用时钟”使用。重要的是,L1不了解L2的逻辑,因此也不能执行任何L2逻辑。

我们想提出一个比较这些解决方案的框架,特别关注欺诈证明与有效性证明之间的区别。从本质上说,欺诈证明和有效性证明都可以存在于L1中,但目前的尝试以及我们的分析都把关注点放在了L2上。

欺诈证明提出证据,表明状态转换是不正确的。它们反映了对世界的乐观看法:假设区块代表L2数据的正确状态,直到被证明不是这样。但实际上,一个已提交的区块可能包含错误的状态转换。

有效性证明则提出证据,表明状态转换是正确的。它们反映了对世界更悲观的看法。区块只有在状态是正确的时候,才会将代表L2状态的数值包含在内。

值得强调的是:使用证明系统(例如SNARK,STARK)时有两种形式:欺诈证明和有效性证明。人们不应该将我们如何证明(例如SNARK,STARK)与我们证明了什么(欺诈或有效性)混淆起来。

更深入的探讨

欺诈证明

欺诈证明的主要优势是,并不是每次状态转换都需要它们。因此,它们需要较少的计算资源,并且更适合可扩展性受限的环境。这些协议的主要缺点源于它们的交互性:它们定义了一个多方之间的“对话”。对话要求当事方—— 特别是声称有欺诈的一方 ——在线(活跃),并允许其他方通过各种方式中断对话。但问题的核心在于协议将沉默(即没有对新状态发起挑战)解释为默认的同意。实际上,攻击者可能会尝试使用DDoS攻击来产生沉默的假象。

让我们描述一下概念协议:由于区块可能包含不正确的状态转换,因此欺诈证明协议允许在一个时间范围 ——争议时间段(Dispute Time Frame,DTF)—— 对此错误状态提出异议。该时间窗口以区块为单位进行衡量。如果在DTF内未提交欺诈证据,则认为L2状态转换是正确的。如果欺诈证明被提交给智能合约,并且被发现是正确的(即,在DTF内提交,并且确实证明了状态转换是错误的),则至少会导致智能合约恢复到上一次正确的L2状态。其他措施,例如对违规方进行处罚,也可能会执行。

DTF持续时间的不同选择会带来这样的结果:它越长,检测到错误状态转换的概率就越高——这是好的一面。但是,时间越长,用户必须等待的时间也会越长,例如,提取资金——这是不好的一面。

有效性证明

有效性证明相比之下就简单很多了:一些离线计算的代表形式被发送到智能合约。只有在验证为正确后,智能合约才会使用这个新的数值更新区块链。有效性证明的主要优点是区块链将始终反映正确的L2状态,可以立即使用新的状态。主要缺点是,每次状态转换都需要证明,而不仅仅是在这种转换受到争议时,这会影响可扩展性。

51%Attacks

在众多可能的攻击中,我们这里主要关注L1上的51%攻击。我们最近看到这种攻击事件不断发生,包括对以太坊经典的攻击。欺诈证明和有效性证明如何抵御此类攻击呢?

欺诈证明:51%攻击允许攻击者将区块链引入欺诈状态,例如,从被攻击的交易所中窃取资金。

· 攻击者使用欺诈性状态转换创建BlockFr。例如,这包括将交易所中的所有资金转移到他们自己的账户。

·在BlockFr之上,他们将添加DTF区块,最终形成一个区块,其中包括取出BlockFr中授予的全部资金。

·然后,他们继续将链扩展到DTF以外,以及当前的链以外。他们有能力这样做,因为他们控制了51%的哈希值。

·发动这种攻击的成本(目前非常低,对发动以太坊攻击的成本低于10万美元/小时)与获得潜在收益(即受到攻击的交易所控制的资金)无关。但随着加密交易所中交易活动的增加,它们更加有可能成为这种攻击的目标。

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总而言之,根本问题在于,L2解决方案定义了自己的逻辑,允许包含欺诈状态转换的区块。攻击者偷走资金后的分类帐状态仍然是合法的状态!没有发生双重支付,但是发生了欺诈行为。

有效性证明:51%攻击只能逆转记录的历史,并可能提供新的历史记录;重要的是,这个替代历史也是正确的。可在此处执行的攻击范围仅限于L1可能发生的攻击。在币币交易所中(特别是当所有的交易资产都驻留在同一区块链上时),逆转记录有时可能是一个暴利的举动:例如,卖方可能会很乐于去逆转一个事后才发现是最低价的交易,但是在一个加密资产存放在给定区块链的交易所中,没有任何手段可以去直接盗窃加密资产。

提议的解决方案

鉴于这些明显的缺点,为什么很多项目(例如Gluon Plasma和dFusion)还是要使用欺诈证明呢?主要原因是有效性证明过于昂贵和繁琐。

在使用证明系统之前,在一个无需许可的系统中,“有效性证明”涉及原生重放(native replay),因此极大地限制了可扩展性;本质上,当前这种重放在L1上仍在进行,大家已经了解其对可扩展性的限制。证明系统提供了一个非常吸引人的特点,称为简洁性:为了验证状态转换,只需要验证证明,这样做所需的成本实际上与状态转换的大小无关(更确切地说,它是状态转变大小的多对数函数)。

Ignis / Roll-Up都依赖于需要可信设置的SNARK,而它比STARK需要更多的证明计算资源。 StarkWare正在努力部署StarkDEX(DEX的可扩展性解决方案),它将使用STARK来实现有效性证明。

结论

我们强调了有效性证明在51%攻击方面的固有优势。凭借其快速的验证时间,简洁的验证和无信任的设置,STARK将是生产级有效性证明的有力手段。

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