观点 | 关于错误性证明（Fault Proof）的沉思（一）

编者注：一般而言，我们会将FaultProof认为是与Layer-2相关的概念，是Layer-2将自己的状态报告给Layer-1时采取的模式。但在本文中，作者使用的是广义的错误性证明概念，考虑的是如何设计一种错误性证明模式，使SPV节点获得更高的安全性。

错误性证明是个极为复杂且烦人的概念，但如果你想知道我的一些心得，请耐着性子跟我一起思考吧。

-BenihimeMorgan?的河流艺术作品-

简而言之，言而简之

SPV节点非常易于运行及扩展；借助错误性证明，SPV节点可以具备和全节点相同的安全性。

我要在此引入“SPV+”模式；常规的SPV节点只需要保存区块头，而SPV+节点还需要保存每个区块中的第一笔及最后一笔交易。

“SPV+”节点必须与一个全节点建立支付通道，或是建立一个LN连接。

每验证一个区块的正确性，SPV+节点都必须向这些全节点支付小额费用；我估计这笔费用不会超过50刀/月。

后续就是添几个新操作码的事：我们需要一个链下的rangeproof，搭配类似“SegWit”的witness-commitment技术，就能方便且低成本地使用SPV+节点了。

1.背景

A.如何让比特币更像实体黄金

比特币在设计上对标的是黄金；虽然在很多方面，比特币已远胜于黄金，但是一谈到收款，问题就来了——你怎么知道钱到账了？如果以黄金等实物手段支付，有没有到帐是很简单的——就跟所有一手交钱一手交货的情形一样；但如果使用比特币支付，保障资产所有权就会变成一件很抽象的事。

对于这个问题，中本聪提出了一个完美的软件解决方案，让你能够知道钱到账没有——它就是“比特币”软件。

等会！这不又兜回原点了吗？究竟这个软件是如何运作的

观点：ChatGPT每天运行开销达70万美元:4月21日消息，据《科创板日报》消息，芯片行业研究公司SemiAnalysis首席分析师迪伦?帕特尔表示，由于ChatGPT运行在价格昂贵的计算基础设施之上OpenAI每天为运行ChatGPT投入的成本可能高达70万美元。帕特尔指出，ChatGPT需要庞大的算力，才能基于用户的输入信息做出反馈，包括撰写求职信、生成教学计划，以及帮助用户优化个人资料等。他表示，大部分成本都来自于昂贵的服务器。[2023/4/21 14:17:53]

谜底揭晓，比特币软件使用一种特殊的机制与其它运行软件的计算机进行同步；这个机制有点类似Dropbox，但不同之处在于，由每个文件自身保证同步性，因此不会有版本控制的问题。换言之，“得知钱已到账”和“得知你已实现同步”是一码事。

中本聪在白皮书中提出了两种“确认钱已到账”的方法：

运行软件，等待实现完全同步。

首先，运行一个“轻客户端”——只会策略性地对某些简单部分进行同步；然后注意是否出现“alert”。

第一种方法就是所谓的“全节点”，依靠的是?

positiveproof——你理应看到X，一旦你看到X，就知道自己已经收到钱了；第二种方法称为“SPV模式”?

1，依靠的是?

negativeproof——你本不应看到Y，一旦你看到Y，就知道自己没有收到钱。这里的Y就是白皮书中提到的“alert”，现在大家可能更常听到另一种叫法——“错误性证明”。

B.“alert”的理论支撑

我个人觉得最有意思的，反向证明机制与实际生活中的很多行为方式类似。

试想以下例子：

我们不会试图100%杜绝凶案发生，而是在凶案发生后尽全力抓捕犯人。

我们不会试图100%杜绝奸商存在，但如果真的出现奸商，我们会期待他被市场淘汰，然后由良商取而代之；如果有太多利益纠葛，我们会通过侵权法或规章制度淘汰我们不想要的商人。

我们不会试图保证每一项发布的科研成果是100%零错误的，而是最大程度地公开它们，并期待能收到批评或指正。

我们不会试图100％防止司法腐败。但是我们确实要求所有法律诉讼环节都必须记录下来，保证庭审的公正性可由公众及法律学者在事后追查。

观点：区块链采用增长速度已经远超互联网:5月8日消息，专注于StarkNet的用户odin-free.eth表示，区块链采用增长速度已经远超过互联网。互联网的年增长率为85%，而区块链的年增长率为165%。这是人类历史上技术采用的最高点。此外他还表示，如果通货膨胀上升，ETH就会上涨。[2022/5/8 2:58:43]

我们不会试图变得“全知全能”。但是我们希望能够在书籍、网站中找到所需的知识技能，并希望未来会有专家让这些信息变得更准确。

通常我们会假设一切事情都没什么问题，直到出现足够严重的错误，我们再去修正。如果不这么做，现实生活中我们其实很难验证每一件事情都是100%正确的。

C.“alert”面临的理论挑战

“alert”的问题在于，Satoshi实际上并未实现这个想法。上个月，EricLombrozo也在

推文中也提到这一点。

-EricLombrozo：“许多我聊过的顶尖技术专家都说，错误性证明实在是太难实现了，而且在最糟糕的情况下甚至是不可能的。中本聪似乎认识到了其中的难度，因此从未提出过解决方案。”-

若要实现错误性证明，主要有以下两个难点：

抗DoS攻击：比特币全节点之所以对DoS攻击有很强的抵御能力，是因为工作量证明机制所具备的不对称性——每隔10分钟才能产出一个新区块，验证这个区块却只要很短的时间。不过这是否适用于“alert”？“alert”实行PoW机制吗？谁来为服务买单？如果没有人买单，如何阻止恶意节点滥发假的“alert”来掩盖真的“alert”？

反向证明：恶意的/粗心的矿工可能会丢弃区块内的一部分数据，更极端地说，矿工可能会在根本不知晓区块里有什么的情况下，创建出一个区块！如果区块里包含错误交易，我们怎么发现呢？如果没人发现得了，又如何提醒他人呢？

观点：对监管机构来说，DeFi被认为是比比特币更大的威胁:印度加密货币新闻平台Crypto Kanoon今日发推称，对监管机构来说，DeFi被认为是比比特币更大的威胁。DeFi显然是在挑战中央银行的权力。[2020/8/11]

针对第一个问题，我们可以采用区块链以外的方法来抵御DoS攻击，也就是支付通道。

针对第二个问题，我们可以将“审核资源”放在验证区块的特定部分——简单来说，我们可以让节点声明自己确实知道整个区块所包含的内容，然后让验证者验证该声明并为其背书。

2.问题

A.SPV模式

中本聪的SPV模式（

白皮书第8章处）：

比特币的区块头非常小，且易于验证，不受区块所含交易数量的影响。

可以很容易地证明，区块中包含了某个东西“X”——只要有“X”本身、区块头，以及包含两者的有效?MerkleBranch?即可。

还不太明白的人，可以参考下面的例子：

假设我们有三个区块头：headerA、headerB、headerC；每个区块头都分别包含一个hashMerkleRoot：hA、hB、hC。

交易Tx是否存在于这些区块的任意一个之中？

是的，因为h()=ht，且

h(ht,hs1)=hi1

h(hi1,hs2)=hi2

h(hi2,hs3)=hA

其中：

ht是交易Tx的哈希值；

hs1、hs2、hs3是由全节点提供的哈希值。

hi1、hi2是SPV节点计算得出的中间哈希值。

上述证明的实际含义是，有一棵以hA为根哈希值的默克尔树，它有两个分支hi2和hs3，哈希值为证，别无其它可能；hi2也只有hi1和hs2两个分支……层层递推，最终可证，ht必定存在于这棵默克尔树中，

MerkleBranch非常小，仅以log(n)的速率增长。付款者可以轻松获得/生成MerkleBranch，并伴随着交易一起发送给收款者；这种成本是可以忽略不计的。

观点：Validium适用于传统高频交易 zkRollup适合去中心化加密支付:近日，针对以太坊Layer 2扩容方案，即DeversiFi最近采用的Validium解决方案，Matter Labs创始人Alex Gluchowski撰文称，Validium的机制与zkRollup非常相似，唯一的区别是zkRollup中的数据可用性是在链上的，而Validium则将其保持在链外。这允许Validium获得更高的吞吐量，但这也导致该解决方案存在两大问题：1、可冻结用户资金；2、可没收用户资金。

Alex Gluchowski指出，zkRollup的数据可用性可保护用户的资金免遭扣押和审查。但数据可用性的链上存储，导致了吞吐量的限制。因此，Alex Gluchowski认为Validium方案可能会适用于传统的高频交易或具有较低信任假设的游戏，相比之下，完全无需信任的zkRollup方案则非常适合扩展去中心化的加密支付。（Medium）[2020/6/8]

也就是说，只要有比特币区块头，你就能知道“钱是否已经到账了”。区块头又很容易获得，因此SPV模式似乎很容易就能实现无限吞吐量。

B.SPV模式的问题

问题在于，我们永远无法确定一个80字节的区块头是否真的是“比特币区块头”。

唯一的方法是检查对应区块的全部信息。如果存在一笔无效交易或双花交易”），整个区块就会被视为无效区块。

C.好消息

虽然我们无法验证一个80字节的区块头是否是比特币区块头，但是好在我们能对照当前出块难度，通过计算区块头的哈希值来验证区块头的工作量证明。

如此一来，我们就能检验矿工是否真的进行了哈希运算；可惜的是，我们还是无法确定这个区块头是否有价值。这就好比你托矿工Matthew帮你买一盒巧克力，你很容易就能验证“Matthew是否真的花了300多刀买了一盒巧克力”，但是你无法确定这些巧克力是否好吃，也无法确定它们是否真的含有巧克力成分。

D.正向/反向证明回顾

你可以吃掉盒子中的每一颗巧克力，证实每一块巧克力都很好吃，这就是“正向证明”。

或者你可以顺着以下思路进行反向证明：这盒巧克力是被包装好了的，看起来没有被动过手脚；再加上这盒巧克力有品牌背书，我国又严格执行品牌法/商标法；已经有很多人买过这个牌子的巧克力，如果质量有问题，我只要随手搜一下就能看到相关新闻/差评。

观点：区块链替代方案或将威胁推特和FB主导地位:推特上周将特朗普关于邮寄投票的推特上加上警告标签，之后特朗普签署行政令限制社交媒体审查权。福布斯文章称，此举可能剥夺社交媒体巨头的“平台”而非“出版商”特权，并进一步为基于区块链的去中心化替代方案打开大门，这些方案已经开始威胁Facebook和推特的主导地位。

Three Arrow Capital首席执行官Su Zhu在推特表示，“随着Facebook、谷歌和其他大型科技社交媒体巨头最近的化，对加密技术的（去中心化）Web3论题从未像现在这样被低估。”Web3的理念是，继互联网的第一个早期版本，然后硅谷控制的第二代互联网之后，第三代互联网将允许用户控制自己的数据，并允许透明的货币化。近年来出现一些去中心化社交媒体项目，尽管迄今未能令人信服地取得突破进入主流世界。

扎克伯格在接受福克斯新闻采访时说：“我坚信，Facebook不应该成为人们在网上所说一切真相的仲裁者。私人公司可能不应该这样做，尤其是这些平台公司，不应该这样做。”福布斯文章称，基于区块链的去中心化社交网络反映了扎克伯格的信念，并可能最终取代目前的互联网巨头。（福布斯）[2020/6/1]

另一个采用反向证明的例子是退款承诺。假设你要买辆车，现在有三款车子，目前你对CarC最感兴趣。

若想获得正向证明，你就要把CarC开上个数千英里，随行配有一支庞大的机械工程师团队一路检查这辆汽车每个零部件，并汇报问题给你。

如果是反向证明的话：假设CarA和CarB都提供一个具有法律效力的声明“里程数不到40000英里的车子发生故障，即可退款”；但是CarC?没有这种承诺，那就反向证明了CarC的质量不行。

要实现比特币上的错误性证明，我们需要一样东西——在区块合法的情况下出现；在区块不合法的情况下绝不出现。

在博弈论中，这被称为“信号博弈””）中的“分离均衡”。其中，错误性证明的发送者分为“诚实”和“不诚实”两类，我们正试图通过低成本的手段淘选掉不诚实的那一类。

E.我们的需求

我们需要找到一种方法能提醒我们注意?

“区块错误”。理想情况下，这种警示要来的又快又准确要在“20~30分钟内”做出响应）。

举个具体的例子，理想情形应该如下：

“Sally”因为某些原因收到了一笔比特币，对方向她展示这笔交易的信息，Sally也看到这笔交易是合法的。

Sally想要在不运行全节点的情况下知道这笔交易是否经过6个区块的确认。因此，她先是下载了所有比特币区块头，接着向全节点要了MerkleBranch。她得到了一个?MerkleBranch?，然而不幸的是（她根本不知道)：里面的区块头因为某些原因是无效的……

就在此时，“Fred“必须意识到出现问题了——有一个区块存在一到多个“缺陷”。

必须通过某种激励措施促使Fred向Sally发起某种警告。

在其他正常情况下，不能让Fred有动力发起警告。

F.区块错误的类别

区块可能会出现很多种缺陷（详见?

validation.ccp,特别是“CheckBlock”）。我将它们分为四类：

“第一类”——不良交易。

“第二类”——区块数据缺失上，与Sally交易所在位置相邻的节点数据处于未知或不可见状态——这可能是人为或无意导致的）。

“第三类”——不良区块。

“第四类”——不当累加。

第一类错误

第一级错误非常好对付。Sally可以直接通过验证交易并reversingtheoutcome(sothat"false"validationreturens"true")来检验该交易的有效性，详见下文。在SPV模式下，甚至能检验nLockTime和CSV，因为Sally掌握了MerkleBranch和所有区块头。只要观察到两笔交易有相同输入，就能轻松检查出双花交易。重复的交易必然无法通过测试，因为它们必然属于双花交易。

第二类缺陷

第二类缺陷与SPV用户的相关性最强——SPV用户必须假设区块的剩余部分是完整的，但是无法检查是否真是如此。更糟糕的是，矿工可以在不核实区块内容的情况下，创建一个新的区块，他们也确实会这么做。因此，新创建出的区块内可能存在无人知晓的内容，上述假设明显是不合理的。

我将证明，从理论上来说，只要能向Sally提供有效的“区块头+MerkleBranch”，就应该存在一个完整的MerkleTree。因此，所有与区块链数据缺失有关的缺陷，本质上就是“MerkleTree相关数据缺失”的问题。可以说，这种缺陷就是未知哈希值原像的问题，又或者说的具体点，可以通过对未知哈希原像进行采样来解决这个问题。

我提出的解决方案是要求Sally除了区块头，还需要下载每一个区块的最后一条交易?2。

第三类缺陷

ClassIII第三类缺陷

第三类缺陷非常普遍，但我相信这种小毛病可以通过一种特定的简单方法解决。举例来说，区块版本如果出错，SPV节点可以直接从自己维护的区块头中获得正确的区块版本。

其他大多数的信息缺失，可以从?coinbase交易中找到；因此除了所有的区块头，SVP节点还需要保存每个区块的coinbase交易。有了这些信息，SPV节点就能知道：coinbase交易是否只出现一次且出现在正确的位置；“见证数据”是否存在及见证的内容；确定所有Withdrawal_DB和大多数Escrow_DB的正确性。

至于drivechain的Escrow_DB，主链?3上的SPV节点必须注意区块中链间交易的累加影响；解决的方法放在第四类缺陷介绍。

所以我们要增加一些开销——引入“SPV+”模式。“SPV+”节点除了要同步比特币区块头，还要同步每个区块的第一笔和最末尾交易，外加与这两笔交易相关的MerkleBranch。

旧式：同步区块链中每个区块的区块头；每收到一笔新交易就进行一次汇总。

新式：80byte/区块+/区块+两个MerkleBranch/区块；每收到一笔新交易就进行一次汇总；与其他几个节点建立支付通道。

SPV+模式会增加多少存储开销？我不确定，但假如coinbase交易约1000bytes，“最末尾交易”约280bytes，每个区块约装有5000笔交易，那么同步一个区块的开销就会提升为2192bytes/区块?

4，而不仅仅是80bytes，而且开销的增速不只是O(1)，会大幅提高到O(log(n))。

按照一年约产出52596个区块，因此存储花销会变为约115MB/年，不只是4MB/年。这看似大幅增加开销，但从全局的角度来看，SPV+仍然是非常节省的方案。如果Sally想要完整的检查交易有效性，她只需要对每个区块多下载这些数据：最近六个月产出的区块，或是那些记录她收到比特币的区块，以及一些随机的检查信息。

第四类缺陷

第四类缺陷非常有意思。本文第7章会介绍如何将第四类缺陷转换成第一类缺陷，不过简单讲，要解决第四类缺陷，我要求交易哈希值不仅仅作为交易自身的保证，还要说明自己对累加指标造成的影响。举例来说，交易不仅要保证自己是“277bytes”，还要说明“加上自己之后，宿主区块大小从500809bytes增加为501086bytes”。这样一来，所有的“假交易”就能被孤立且识别出来了。也就是说，最末尾交易会提供很重要的信息。

在我深入更多技术细节之前，为了避免有人因为听不懂而掉队，我将以故事的形式再次说明“整个逻辑”。

(未完）

注1：“全节点”与“SPV节点”的区别也许并不像人们认为的那么清楚。简言之，当一个全节点在下载一个新区块时，相对于再下一个块，它自身是处于SPV模式中的。另外，再假设51%的算力在秘密运行一个新软件，该新软件默认增设区块延展数据。那么，即便别的节点想成为“全节点”，也不得不变成部分全节点、部分SPV节点的混合模式。如果那些矿工后面又把协议改回去了，去除掉了延展数据要求，那么我们就又成为了100%的全节点。但是，在这个过程中可能你都没有意识到节点形态转变了，实际上你也没办法知道。所以，只有假设协议本身固定不变的情况下，使用这些数据才有意义，当然，本文也就是这么假设的。不过，实际上，协议可能变更，也确实会变更，矿工永远可以选择运行定制化的软件。

注2：准确点说，是对所有她想用SPV模式来“完全验证”的区块都要这么做。

注3：对于自身是侧链的那些区块链，链间交易出错可以被归类为第一类错误。要得到错误警示，侧链的SPV节点需要找出两笔交易，一笔在主链上提供存款的交易，另一笔是在侧链上记录存入金额的交易。因此，侧链上的Sally必须检查主链和侧链两条链才能发现错误。

注4：单块的全部存储成本是：“区块头+第一笔交易+第二笔交易+2×(32×log2(n))”，这里的“log2(n)”指的是“根据区块中交易的数量可得的空间占用上限”。因此，在本例中，单块的存储成本是“80+1000+280+2×(32×log2(5000))”，大概是2192bytes。注意，我们不需要coinbase交易的位掩码，因为我们已经知道其确切结构，但我们可能需要知道最后一笔交易的。

原文链接:?http://www.truthcoin.info/blog/fraud-proofs/作者:?PaulSztorc翻译&校对:?IANLIU&阿剑

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