SPV:观点：关于Fault Proof的沉思

编者按：本文来自：以太坊爱好者，作者:PaulSztorc，翻译&校对:IANLIU&阿剑，Odaily星球日报经授权转载。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

观点：GBTC需求降低、马斯克等因素导致比特币年内走势逆转:投资策略师Lyn Alden表示，她正在研究可能触发了比特币今年走势逆转的基本面催化剂。在接受采访时，Alden解释了机构投资者如何利用GBTC提供的交易机会。Alden强调，虽然机构投资者可以出售他们的GBTC份额，但所涉及的比特币不能卖回市场。竞争对手入场削弱了GBTC需求，因此降低了BTC以冷存储的方式被锁定的速度：“所以当我们看到这种情况发生在2021年1月时，比特币开始巩固了一段时间，创下新高，但随后势头减弱了。然后我们开始关注马斯克，他的行动和言论影响了已经处于横向整合的比特币市场，在一定程度上引发了下跌。所以我认为这起到了一定作用，但更根本的问题只是比特币本身的供求平衡。”（The Daily Hodl）[2021/7/21 1:07:12]

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。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。

观点：对智能合约的充分监管指导有助于消除其法律上的不确定性:法学教授Agata Ferreira发文表示，全球智能合约的市场规模正在快速增长。预计在2020年至2025年的预测期内，市场复合年增长率将达到17.4%。智能合约越来越多地部署在包括金融部门在内的广泛领域，如公共部门、供应链管理以及汽车、房地产、保险和医疗保健行业等。它们也是不断增长的去中心化金融 (DeFi) 的支柱。监管机构在应对和解决智能合约方面将面临越来越大的挑战，但迄今为止的立法举措表明，智能合约的使用没有重大障碍。

与此同时，对智能合约的不同定义和潜在法律处理的激增可能会导致法律不确定性和监管套利。因此，立法者应密切关注智能合约的发展，并仅在必要时介入以提供法律确定性、降低风险和保护脆弱的缔约方。这种衡量和基于风险的监管方法将支持创新、利用机会并将智能合约创新整合到现有法律体系中。充分的监管指导还有助于消除法律上的不确定性，提升行业、投资者和消费者的市场信心。（Cointelegraph）[2021/6/19 23:50:04]

-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？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

观点：股市将在未来两到三个月调整，或导致比特币价格大幅回调:根据Santiment数据分析师Vlad Antonov的说法，比特币与股票之间的正相关关系日益增长，这可能最终导致市场崩溃。 Antonov解释说，PayPal宣布提供比特币服务是当前比特币价格反弹至15,000美元以上的主要催化剂。但是，持续的价格上涨可以主要归因于比特币与股市的相关性。

他指出，每日活跃地址和价格之间的差距越来越大。Antonov称这为熊市回调敲响了警钟。他表示，尽管无法预测何时会发生，但这种高分化表明市场即将出现严重而迅速的回调。Vlad Antonov表示，市场对新冠疫苗试验的积极反应以及乔·拜登的成功竞选总统都在提振比特币的价格。 他最后预测，股市将在未来两到三个月内经历一次调整，这将导致比特币价格大幅下跌四分之一或更多。（Crypto globe）[2020/11/20 21:31:31]

A.SPV模式

中本聪的SPV模式：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)=hi1h(hi1,hs2)=hi2h(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。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

观点：DeFi市场被100-1000个“以太坊巨鲸”控制:DeFi 用户数量一直保持相对较个不争的事实，，而且在DeFi平台上操作交易的大多数用户其实都是拥有大量“闲钱”实体。Multicoin Capital 联合创始人兼合伙人 Kyle Samani指出了这一现象，他表示目前DeFi交易大多由一个很小的圈子完成，基本上大约有 100-1000 个‘以太坊巨鲸’控制着这个市场，他们操作的交易量占到所有 DeFi 协议交易量的90-95%。[2020/9/6]

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。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

观点：加密货币市场可能受益于中国股市持续上涨:加密金融公司Amber Group表示，加密货币市场可能会受益于中国股市的持续上涨。该公司解释说，富时中国A50指数创下新高，表明中国投资者正在冒险，有可能提振比特币。如果股票上涨，投资者将拥有更多的资本，并且将更倾向于购买加密货币。（Bitcoinist）[2020/7/6]

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。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”。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。

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