Vitalik Buterin : 区块链验证的哲学

注：原文作者是以太坊联合创始人VitalikButerin。

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。通常，规范链被定义为“拥有最多矿工/验证者支持的有效链”。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，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。

Vitalik Buterin：我已不再是亿万富翁了:金色财经报道，由于加密市场下挫，以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 财富也出现缩水，他在社交媒体上最新发言中写道：“我已不再是亿万富翁了。” （I’m not a billionare anymore）不过，Vitalik Buterin此前在接受彭博社采访时曾表示：“凡是深入研究过加密货币的人都知道，这一领域的BUIDLer其实都很喜欢熊市。”[2022/5/21 3:32:56]

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，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GavinAndresen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：

Vitalik最推崇作家大为·格雷伯去世:Vitalik Buterin最推崇作家、《债：第一个5000年》作者大为·格雷伯于9月2日去世，大卫?格雷伯认为唯有全面历史地理解了债及其与暴力之间的关系，我们方能开始正确估量我们刚刚到来的新纪元。大为·格雷伯曾深入研究了虚拟货币的历史，认为虚拟信用货币早在农耕帝国时代就是主导货币形式，利息货币的习惯同时也起源于苏美尔，利息率固定为20%，2000年来一直保持稳定。在中世纪（公园600-1500年）虚拟信用货币回归，而当今时代（1971以后）则是债的帝国。值得一提的是，占领华尔街运动也是大为·格雷伯组织的。[2020/9/4]

请注意此视图的两个核心组件：

根据定义，不接受你认为基本、不可协商规则的链不是比特币，而不管有多少人接受这条链。

重要的是，你要留在一条你认为有可接受规则的区块链上。

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。

Vitalik：比特币本质是一种金融工具:Vitalik Buterin在推特上回顾过去十年加密行业发展，他表示，金融在未来十年重要性会相对较低，加密货币领域需要适应这一现实。最终，加密货币会与更广泛经济趋势高度相关。这并不意味着他们会免受其他事物（例如障碍/干扰）侵扰，但确实意味着叙事需要调整。Vitalik Buterin认为，比特币本身主要是一种金融工具。以太坊本质上“金融性”没有那么强，但即使如此，仍然存在一个事实，即区块链合法地使很大一部分应用程序更好地涉及处理某种形式的货币/代币/资金。[2020/6/3]

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：

声音 | 江卓尔：分片提升容量难度大时间长 故而Vitalik提出使用BCH或者ETC作为以太坊数据层:7月25日消息，莱比特矿池CEO江卓尔表示，分布式系统（去中心化系统）有一个不可能三角，称为分布式系统CAP定理，指的是在一个分布式系统中，Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可兼得。Vitalik提出用分片方法提升容量，但分片方法的难点是一致性，也就是CAP中的C，Consistency（一致性），这个是一个要挑战不可能三角的开发，所以开发难度很大，时间长，所以Vitalik才提出使用BCH或者ETC作为以太坊数据层的短期方案，来解决ETH的燃眉之急。[2019/7/25]

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。

声音 | Vitalik：Libra 短期不足以影响以太坊 DeFi 生态 传统领域并非以太坊强项:以太坊创始人 Vitalik Buterin 在回答“Facebook 区块链项目 Libra 会影响以太坊 DeFi 生态吗？”时表示，他认为短期内不会有太大影响，毕竟 Libra 明年才会推出，推出后也只是发布代币，再往后才会推出智能合约。而目前以太坊的 DeFi 的规模已经相当大，而且在这两年只会越来越壮大，以太坊的生态也会有更多方向的发展。如果 Libra 与以太坊架起桥梁，以太坊也会进行相应开发，让 Libra 用户进入以太坊的生态。总体来说，参与 Facebook 的 Libra 生态成员的类型自然相对保守，因此他们会在 Libra 生态中搭建传统的设施，而这并不是以太坊的强项。[2019/6/29]

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。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。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。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

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：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ETC51%攻击就很好地说明了这一点。攻击者恢复了3000多个区块，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。不幸的是，ETC社区随后选择接受攻击链作为规范链，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设置中，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，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，过度冗余的验证导致效率低下，以及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。

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