Vitalik Buterin：论区块链验证去中心化与效率权衡

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？

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：

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：

请注意此视图的两个核心组件：

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。

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。

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。

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。

本文来源：巴比特
原文标题：Vitalik Buterin：论区块链验证去中心化与效率权衡

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编译者/作者：巴比特

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