区块链:科普 | Layer-2 中的有效性证明与错误性证明_FireStarter

引言

在本文中，我们将从错误性证明与有效性证明的区别出发，分析和比较不同的Layer-2可扩展性方案。我们断言，相较之下，有效性证明在根本上具有优势，因为有效性证明方案保证了只有合形式的状态转换才会被接受。

背景

在最近几个月，基于证明的以太坊可扩展性方案——比如?Truebit、GluonPlasma、dFusion、Roll-Up?以及?Ignis?这样的项目——开始浮出水面，让人颇为激动。这些项目背后的理念很简单：与其给区块链写入很多交易，不如产生一个证明，可以简洁地表示这些交易，进而表示出新的状态。

上面提到的所有项目都是Layer-2方案：它们定义了一种运行在Layer-1上的协议，并且基于这些协议来提供多种服务：存储资金/取出资金、一个根据链下状态时时更新的账本，并作为一种“全局时钟”而运作。重要的是，这些协议没有嵌入Layer-1，因此Layer-1也无法强制执行任何Layer-2的逻辑。

动态 | 新浪财经：官媒针对区块链的报道从科普宣传转向打假监管:据新浪财经今日消息，“1025新政”满月，一个月间，官媒对区块链的态度风向已转。据11月初的一项统计，七家党媒在新政一周内发布了65篇直接相关报道，当时文章中的关键词是数据、产业、安全、创新等，大量文章偏向于科普区块链的概念以及应用介绍，提醒警惕虚拟货币炒作的仅有3篇。近期，官媒的批评焦点则纷纷指向借区块链之名进行的虚拟货币发行和炒作行为。据统计，新华网、人民网收录转载的，以打击虚拟货币或揭露假借区块链行为主题的文章，自10月25日到11月25日午间，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周内就高达15篇。这些文章主要围绕三个观点展开：厘清区块链和虚拟货币的关系，说明二者概念不等；打击伪“区块链”局，或是虚拟货币局揭露；提醒民众，区块链不能成为炒作的噱头，更不是行的招牌，需警惕此类活动，理性投资。[2019/11/26]

在此，我们想展开一种框架来比较这些方案，尤其是关注“错误性证明”与我们所谓的“有效性证明”之间的区别。错误性证明和有效性证明不是Layer-2的专利，在Layer-1上也可以存在，但当前大家仅在Layer-2上做尝试，因此我们的分析也都基于Layer-2方案。

声音 | 上海股交所总经理：区块链想要大规模发展要做好社会科普工作:金色财经报道，上海股交所总经理张云峰表示，区块链当前还处于一个“概念”的阶段，距离成熟应用，影响到百姓的日常生活还有很长的路要走。对于“区块链”和其会带来的社会和经济效果，沈阳应当持审慎的态度。区块链想要大规模发展，一方面要做好这项复杂技术的社会科普工作，加快社会大众对区块链的了解。另一方面，要充分发挥市场的作用，让企业用实实在在的技术创新，赋能实体经济的发展。[2019/11/17]

错误性证明即表示某个状态转换不正确的证据。这种方案反映了一种乐观的态度：假设?区块上表示的Layer-2状态都是正确的，除非有人能证明不是。实际上，提交到链上的区块也很有可能包含着一次不合逻辑的状态转换。

有效性证明即表示某个状态转换正确的证据。这种方案的态度更为消极：当且仅当某个状态是正确的，区块才应该包含代表相应Layer-2状态的值。

动态 | 人民日报官方微博科普区块链 强调区块链不等于比特币:人民日报官方微博今早发表9图科普区块链。其中涉及区块链的特点有：1、安全；2、不可篡改；3、可访问；4、无第三方。区块链对未来的影响：1、不需繁琐个人证明；2、看病避免反复检查；3、旅行消费更加便捷；4、交易无需第三方。同时强调，区块链不等于比特币。比特币只是区块链技术的一种应用，区块链还有医疗卫生、食品安全、版权保护等诸多应用领域。[2019/10/28]

在继续推进分析之前，有必要强调的是：证明系统既可以被用作错误性证明，也可以用作有效性证明。我们不应该混淆证明的方式和证明的目的。

深度分析

错误性证明

错误性证明的主要优点是无需为每一次状态转换都提供证明，只在系统需要中断的时候提供。因此，错误性证明方案需要的计算资源更少、更适合可扩展性受限的环境。这种方案的主要缺点则来源于其非交互性：它定义了多方之间的“会话”。一次会话要求各方——尤其是断言状态转换有误的一方——必须在线，并且允许其它方用多种方式打断会话。但问题的核心是：协议会将沉默视为默示的同意。实际上，攻击者完全可以尝试用DDoS攻击制造出表面的沉默。

声音 | 中科院姚建铨：要加快推进区块链与物联网融合的科普 培训:据新华网消息，日前，在区块链与物联网融合发展峰会上，中国科学院院士姚建铨说，关注区块链技术里面的大数据，跟区块链技术结合起来进行测量和检测，能更好地提升激光清洗技术。姚建铨建议，无锡今后要加快推进区块链与物联网融合的科普、培训，正确引导广大人民群众对技术的认知；同时，建立专业、权威，但又普适、成套的理论体系和标准，以此切入区块链的实际应用。[2018/9/18]

概念上，错误性证明方案可以表述如下：因为区块有可能包含不正确的状态转换，错误性证明协议设定了一个时间框架——纠纷时间窗口——来处理不正确的状态。这一窗口的长度也是用区块数量来定义的。如果在纠纷时间窗口内无人提交错误性证明，相应的Layer-2状态转换就会被认为是有效的。如果有人向智能合约提交了错误性证明，而且经证明是正确的，则智能合约会将Layer-2状态回滚到最后一个正确状态。除此之外还可能实施对作恶一方的惩罚，等等。

科普时报：区块链与云计算长期发展目标不谋而合:据《科普时报》今日报道，区块链与云计算两项技术的结合，从宏观上来说，一方面，利用云计算已有的基础服务设施或根据实际需求做相应改变，实现开发应用流程加速，满足未来区块链生态系统中初创企业、学术机构、开源机构、联盟和金融等机构对区块链应用的需求。另一方面，对于云计算来说，“可信、可靠、可控制”被认为是云计算发展必须要翻越的“三座山”，而区块链技术以去中心化、匿名性，以及数据不可篡改为主要特征，与云计算长期发展目标不谋而合。[2018/5/4]

DTF时间长度的选择很重要：DTF时间越长，发现错误状态转换的几率就越高——听起来很棒。但同时，时间越长，用户需要等待的时间也越长，这就是一个副作用了。

有效性证明

有效性证明总体上说更为简单：向一个智能合约发送一些链下计算已然发生的证据。智能合约仅在一个新值被证明为正确之后才更新区块链。有效性证明的主要优点是区块链上总是能反映出一个正确的Layer-2状态，而且一个新状态可以即时使用。而主要缺点就是每个、每次状态转换都需要一个证明，不单单是状态转换受到质疑时才需要提交证明，这就影响到了其可扩展性。

51%攻击

在多种可能的攻击方法中，我们主要关注Layer-1上的51%攻击。最近51%攻击频发，连以太坊经典也未能幸免。那么错误性证明和有效性证明如何应付这种攻击呢？

错误性证明：一场51%攻击会在区块链中引入一个欺诈性的状态，比如从交易所中“偷取”一些资金。细节如下：

攻击者用一个欺诈性的状态转换创建了区块BlockFr。例如，区块中包含了一笔交易，将交易所中所有的资金转移到攻击者的账户。

在BlockFr之后，他们还会接上DTF区块，以一个包含取款交易的区块告终。

然后他们在DTF区块后面继续生成区块，直到超过当前链成为更长的链。他们能这么做是因为他们掌握了51%的算力

难搞的是，发动这样一场攻击的运营成本跟“奖金”规模无关。这就意味着，随着密码学货币交易所的体量上升，攻击交易所会越来越有吸引力。

总而言之，问题的根源在于Layer-2解决方案定义了自己的逻辑，而且允许一个区块包含欺诈性的的状态转换。这样一来，攻击者偷盗资金之后的账本状态也会被认为是一个合法的状态！甚至都没有什么双重花费，只是出现了一桩欺诈。

有效性证明：51%攻击只能遮蔽已有的账本历史，可能可以提供另一种历史；但重要的是，这一新的历史也是完全合形式的。这里所说的攻击范围仅限于在Layer-1上可能发动的攻击。在币币交易所中，覆写历史的勾当有时候是一本万利的：例如，一个卖家，可能会很乐于遮蔽掉一笔时候来看成交价位于谷底的交易，但是，在给定区块链上的交易所中，没有办法可以直接吞掉对方的钱。

我们提议的解决方案

如果有这么明显的劣势，错误证明型系统还会作为一个选项？

主要原因就是提供有效性证明迄今为止都仍是非常昂贵而且繁琐的。

在使用证明系统以前，免许可系统中唯一一种“有效性证明”就是简单重复运算，因此可扩展性大为受限；而且，这种重复计算直至今天仍在Layer-1上使用，虽然众所周知它是可扩展性的一个障碍。证明系统则提供了一种非常有吸引力的特性，叫做?简洁性：为了验证一个状态转换操作，你只需要验证一个证明，而且验证的开销是完全独立于状态转换的计算量大小的关系）。

Ignis/Roll-up都基于SNARK，需要一个受信任的初始设定，并且相较于STARK，需要证明者使用更多的计算资源。StrakWare正在努力部署StarkDEX，为去中心化交易所提供可扩展性方案；他会使用STARK来实现有效性证明，我们预计会在2019年第一季度末部署到测试网上。

结论

本文比较了错误性证明和有效性证明作为Layer-2可扩展性方案的工具价值。我们强调了有效性证明应对51%攻击的内在优势。而STARK，因为证明时间更快，而且验证简单、无需受信任的初始设定，是一种生成有效性证明的有力工具。

感谢DanRobinson、LindaXie、AlexeyAkhunov以及GeorgiosKonstantopoulos审读本文的初稿。

原文链接:?https://medium.com/starkware/validity-proofs-vs-fraud-proofs-4ef8b4d3d87a作者:?AvihuLevy&UriKolodny翻译:?阿剑

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