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区块链扩容的关键:欺诈和数据可用性证明

来源:恒恒美食网  05-05/2020
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区块扩容关键欺诈数据可用性证明,在这篇论文中,作者们提出、实施并评估了一个完整的欺诈数据可用性证明方案,并且根据附加的假设:网络中至少有一个诚实全节点在最大网络延迟内传播欺诈证明,并且网络中具有最小数量的轻客户端来共同恢复区块,它使得轻客户端几乎可以得到全节点级别的安全保障。

区块链扩容的关键:欺诈和数据可用性证明

(图片来自:Institut Friedland)

1 伦敦大学学院

{m.albassam,a.sonnino}@cs.ucl.ac.uk

2 以太坊研究组织

vitalik@ethereum.org

摘要:轻客户端,也被我们称为简单支付验证(SPV)客户端,这类节点只需下载区块链中一小部分的数据,并使用间接的手段来验证给定区块链是有效的。通常,它们假设区块链共识算法所支持的链只包含有效区,并且大多数区块生产者都是诚实的,而不是去验证区块数据。通过降低这类客户端来接收由全节点生成的,表明违反协议规则的欺诈证明,并将其和概率抽样技术相结合,以验证区块中所有数据实际是可用于下载的,我们可以淘汰掉多数人诚实的假设,相反地,对重播数据的最小数量诚实节点,提出了更弱的假设。欺诈和数据可用性证明,是区块链链上扩容关键(例如,通过分片技术或大区块),同时确保链上数据的可用性和有效性。

我们提出、实施并评估了一个新的欺诈证明,以及一个数据可用性证明系统。

一、引言和动机

随着密码货币和智能合约平台被广泛采用,我们在实践过程中已经看到了区块链的可扩展性限制问题。由于比特币交易的平均费用一度高达20美元 [19.28],很多流行的比特币支付服务停止接受了比特币支付方式[26],而以太坊流行的CryptoKitties(加密猫)[6]智能合约一度造成以太坊网络未确认交易积压增长了6倍[40]。由于区块链链上空间是受到限制的,例如比特币的区块大小限制 [2]或以太坊的区块gas限制[41],用户们就需要为交易纳入区块链而支付更高的交易费用。

虽然扩大链上容量限制将产生更高的交易吞吐量,但人们会担心这种方式会降低区块链的去中心化及安全性,因为这会导致增加完全下载和验证区块链所需的资源,从而导致更少的用户能够负担得起独立验证区块链的全节点,这就要求用户转而去运行轻客户端,该客户端假设是有遵循区块链协议规则的共识算法 [23]。

轻客户端在正常情况下的运行是良好的,但当多数人的共识(例如矿工或区块生产者)是不诚实的时候,轻客户端的安全保证就是较弱的。例如,尽管在比特币或以太坊网络中的多数非诚实节点,目前只能审查、反转或重新排序交易,如果所有的客户端都使用的是轻节点,大多数共识将能够相互勾结,产生包含凭空创造货币的交易区块,而轻节点将无法检测到这一点。另一方面,全节点将立即拒绝那些无效区块。

因此,各种集中于链外扩容的技术解决方案尝试在兴起,例如支付通道[31],其中参与者在链外签署交易,并最终在链上进行余额结算。支付通道也已扩展到了状态通道 [25]。然而,由于开通和结算通道涉及到了链上交易,因此链上扩容对于支付和状态通道的大规模采用而言,仍然是必要的[3].

在这篇论文中,我们通过使轻客户端能够接收和验证来自全节点的无效区块欺诈证明,以降低链上扩容与安全性之间的权衡,这样它们也可以拒绝它们,前提是,假设至少有一个诚实全节点愿意生成在最大网络延迟的情况下传播的欺诈证明。

我们还设计了一个数据可用性证明系统,这是对欺诈证明的必要补充,以便轻客户端能够保证全节点生成欺诈证明所需的区块数据是可用的,鉴于有少量的诚实轻客户端要重建区块中的丢失数据。我们对自己的总体设计进行了实施,同时评估了安全性和效率。

我们的工作还涉及了区块链分片扩容方案 [1.7.20],而在一个分片系统中,网络中不需要有节点下载并验证所有分片的状态,因此,我们就需要欺诈证明从恶意分片中检测出无效区块。

二、背景

2.1 区块链模型

简单地从字面上讲,区块链的数据结构是由区块串联成链组成的。每一个区块包含两个部分:一个区块头以及一个交易列表。区块头除了存储其它元数据之外,它还会存储之前区块的哈希值(从而实现链的特性),以及包含区块所有交易的默克尔树(Merkle tree)根。

区块链网络拥有一种共识算法 [3] ,以确定一旦发生分叉时,我们应该支持哪一条链,例如,如果使用的是工作量证明 [26]算法,那么累积工作最多的那条链会得到承认。它们还具有一组协议规则,规定链的哪些交易是有效的,因此包含无效交易的区块永远不会被共识算法所青睐,实际上,这些无效交易区块也应该会被拒绝。

而所谓全节点,会下载区块链中的所有区块头及交易列表信息,并根据一些协议规则验证这些交易是否是有效的。

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