區塊鏈:拜占庭共識已經無法滿足今天公鏈和聯盟鏈的安全需求

編者按：本文來自區塊律動BlockBeats，作者：王永革教授，Sperax首席科學家，著名華裔密碼學家，北卡羅來納大學夏洛特分校(UNC,Charlotte)計算機系終身教授，德國海德堡大學獲得博士學位，Odaily星球日報經授權轉載。自從Facebook推出聯盟鏈Libra的白皮書，并尋求在5年之后逐漸過渡到公鏈后，區塊鏈社區內很多人對聯盟鏈和公鏈的區別與相似性展開了富有卓效的討論。而針對目前公鏈和聯盟鏈在安全方面存在的一些隱慮，業內給出了一些觀點。簡單來說，聯盟鏈是permissioned區塊鏈，只有少數得到許可的節點可以決定下一個區塊的生成。而公鏈(permissionless)則是一個開放的系統，所有的節點都有機會去生成下一個節點。所以從治理機制的角度來講，兩種鏈的區別是明顯的。如果不從安全性的角度去考慮，兩種鏈的應用場景應該沒有很大的區別。可以在聯盟鏈上的開發的應用場景也可以自然的作為公鏈上的應用場景，反過來也是。今天我們主要通過兩種鏈治理機制的區別來討論為什么在目前的技術支持下，不是所有的聯盟鏈應用場景都可以作為公鏈的應用場景。同時也嘗試解釋為什么臉書不是從一開始就推出基于公鏈的Libra。在聯盟鏈里，具有投票權的節點是要經過審查許可的，其投票權也可以被收回。所以聯盟鏈并沒有達到徹底的去中心化。但正是由于這種審查許可機制的存在，有投票權的節點之間雖然存在著某種競爭關系而不能完全相互信任，但他們之間的關系也不是完全的不信任。在密碼學的研究中，我們一般用半信任的威脅模型來表達這種關系。在公鏈上，任何節點都有機會平等的參與下一個區塊的生成。為了各自利益的最大化，有投票權的節點之間不存在任何信任關系。在密碼學研究中，我們用拜占庭威脅模型來表達這種關系。

數據：Uniswap交易筆數突破2億筆:7月6日消息，Uniswap Labs 發推稱，Uniswap 協議獨立交易筆數已突破 2 億筆。[2023/7/6 22:22:09]

被人忽略的共識機制威脅模型

共識協議是區塊鏈的核心技術。共識協議決定了下一個區塊是如何生成的。換一種說法，共識協議決定了對整個系統所有交易的一種完全排序。而這種排序必須是系統所有誠實參與者之間的共識。在現實生活中，如果我們對兩個交易的前后順序沒法達成共識，那我們就沒法對整個系統產生信任。如果一個不誠實的區塊鏈節點可以通過某種方式而對這種排序進行攻擊，那將產生不可估量的災難性結果，其中最典型的例子就是「雙花攻擊」，這種攻擊模式已經在包括Zencash、EthereumClassic、BitcoinGold等區塊鏈上發生。一個安全可靠的區塊鏈共識協議應滿足一下兩個條件：1.\t安全性(Safety):誠實的節點對合法交易將達成統一的(consistent)意見2.\t活性(Liveness):一筆合法交易在合理時間長度內會被確認比特幣的共識協議是基于工作量的PoW系統。由于PoW系統存在很多挑戰，目前社區內的共識是我們將逐步推廣基于權益證明的共識協議。PoS共識協議最早在區塊鏈Peercoin里被使用。在目前所使用的PoS共識協議里，一個參與者必須滿足特定的條件才能夠生成下一個區塊。在很多情況下，可能多個參與者滿足這些條件。這些滿足條件的參與者都會去生成下一個區塊。因為區塊生成者會獲取多種利益，所以每個區塊生成者都希望自己生成的區塊是被大家接受的那個區塊。如果區塊鏈系統允許兩個參與者同時生成下一個區塊，那么將出現區塊鏈分叉的情況。為了避免區塊鏈的分叉，不論是聯盟鏈或是公鏈，一般都采用拜占庭協議來從這些候選區塊中選出下一個大家都可以接受的區塊。這就涉及到很多核心問題：1.\t一個參與者滿足什么樣的條件才可以生成下一個區塊？2.\t一個參與者在公布他有權生成下一個區塊之前，有多少人知道他的身份？3.\t拜占庭協議是如何進行的？4.\t等等。在不同的威脅模型中，對上述各個問題的解決方案是不同的。我們上面已經提到，聯盟鏈采用的是半信任的威脅模型，而公鏈采用的是拜占庭威脅模型。因為在半信任的威脅模型里安全可靠的應用場景不一定在拜占庭威脅模型里安全可靠，所以不是所有的聯盟鏈的應用場景都可以有對應的公鏈應用場景。一般來講，開發者在開發應用場景的時候，必須考慮這些應用場景在什么威脅模型里是安全的。此外，我們還需特別考慮我們的應用場景可不可以在一個具體的聯盟鏈或公鏈上運行？雖然前面講了，聯盟鏈的假定是半信任的威脅模型，這不意味著所有的聯盟鏈都在半信任的威脅模型里安全可靠。同樣的，我們講了公鏈需要在拜占庭威脅模型里安全可靠，但并不意味市場上所有的公鏈都在拜占庭威脅模型里安全可靠。讀到這里，大家可能會問：目前市場上有多少公鏈能否做到在拜占庭威脅模型中完全安全？當然大家還會問：我們目前的公鏈是否有足夠的技術支持，來保證其在拜占庭威脅模型中完全安全？我們在這篇文章以及以后的系列文章里嘗試回答這些問題。當你能猜出下一個塊誰來出的時候，那就可怕了！

數據：NFT相關加密資產總市值達216.69億美元:金色財經報道，據coinmarketcap數據顯示，NFT相關加密資產總市值達216.69億美元，24小時漲幅14%，24小時交易額約4026.59萬美元。當前市值排名前五的NFT分別是：Mutant Ape Yacht Club、Bored Ape Yacht Club、Mineable Punks、Azuki、Dreadfulz。[2023/4/24 14:24:08]

我們先用一個非常初級的例子來說明理想與現實之間的差距：在基于PoS的聯盟鏈或公鏈里，如果在下一個區塊生成之前，大家能夠預測到下一個區塊將由某一個特定的參與者A來生成，那么這個區塊鏈系統將很容易被攻擊。這種情況在EOSIO-Blockchainsoftwarearchitecture區塊鏈上已經發生過數次，EOS系統的黑名單機制以及超級節點順序出塊機制，讓黑客可以在部分黑名單遺漏節點出塊期間輕松完成交易。比如，有些參與者或非參與者可能會賄賂A讓其在下一個區塊中不包括某些交易。此外，如果兩個參與者A和B都滿足下一個區塊的生成條件，A可能會對B的網絡發起DoS攻擊，從而讓B無法公布其生成的區塊。其結果很可能是A的區塊被大家接受。所以在理想的區塊鏈系統里，參與者都希望在下一個區塊生成之前，其生成者身份是不可預知的。但是市場上的很多區塊鏈系統都沒發實現我們的這種理想。也許在聯盟鏈所采用的半信任的威脅模型里，這種下一個區塊生成者身份的可預測性是可以「接受」的。但是在公鏈所采用的拜占庭模型里，這種可預測性是絕對不能接受的。在目前的一些公鏈里，有些系統采用了可驗證的隨機數生成器(VRF)來保證下一區塊生成者身份的不可預測性。而另外一些公鏈(比如Sperax)使用了基于防篡改的硬件系統來保證下一區塊生成者身份的不可預測性。所以大家在分析一個鏈是不是安全可靠的，首先大家應分析一下其系統的隨機數來源于何處，是否安全。雖然大部分聯盟鏈里沒有使用足夠的隨機數，但是我們相信即使在半信任的威脅模型里，我們還是需要保證下一區塊生成者身份的不可預測性。作為一個練習題，讀者可以自行去分析市場上所有的區塊鏈，看能不能滿足這個基本條件。

Polyhedra Network推出跨鏈數據可用性協議Greenfield zkMessenger:4月23日消息，ZK基礎設施初創公司Polyhedra Network宣布推出由BNB Greenfield和zk Bridge提供支持的跨鏈數據可用性協議Greenfield zkMessenger，允許用戶跨鏈發送Web3消息。Polyhedra Network表示，其協議通過使用BNB Greenfield提供的數據可用性來確保數據安全，將用戶數據安全地存儲在BNBGreenfield去中心化存儲網絡中，并通過zkBridge協議實現Web3中大規模數據的跨鏈數據可用性。

此前報道，Polyhedra Network 宣布在 zkBridge.com 上發布 zkBridge 主網 Alpha 版本，目前支持包括 BNB Chain、Ethereum 和 Arbitrum 等在內的 10 條區塊鏈網絡的主網。Polyhedra Network 于 2023 年 2 月份完成 1000 萬美元融資，Binance Labs 和 Polychain Capital 領投，Foresight Ventures、Animoca Brands 和 Dao5、ABCDE、Sparkle Ventures、KuCoin Ventures、DHVC、OMA3、Galxe、SPACE ID 等參投。4 月初，Polyhedra Network 完成 1500 萬美元 Pre-Series A 輪融資，Polychain Capital 領投。[2023/4/23 14:21:38]

另一個很重要的核心問題是目前大家使用的拜占庭協議是不是在基于Internet的網絡環境里仍然是安全的？拜占庭協議是一個古老的話題。在兩千多年前的羅馬帝國的首都拜占庭，羅馬帝國的各軍隊之間都分隔很遠，將軍與將軍之間只能靠信差傳遞消息。帝國軍隊的將軍們必須全體一致決定是否攻擊某一支敵軍。但是將軍中存在叛徒。叛徒可以采取任何手段不讓忠誠的將軍們達成一個一致的決定。為了解決分布式計算里服務器之間的協調問題，圖靈獎獲得者Lamport和他的合作者在1982年左右，將拜占庭協議問題引入到計算機科學中。從此以后，一系列的分布式共識協議被設計并廣泛應用。這些協議主要被用于相對封閉的環境，所以他們都有比較強的假設。特別是很多拜占庭協議都使用了以下兩個假設：1.\t拜占庭協議所使用的通訊網絡是一個完全圖。換一種說法，拜占庭協議的所有參與者之間存在安全的點多點的通訊渠道。這種假定對聯盟鏈來說，都很難達到。對一個完全開放的公鏈，我們很懷疑這種假定仍然是成立的。2.\t拜占庭協議所使用的通訊網絡是一個同步網絡。也就是說，存在一個全局變量△。每一個協議參與者在t時刻發出的消息,一定會在t+△時刻之前到達接受節點。這兩個假設對于比較封閉的環境來說，比較容易達到。但是對于一個開放的網絡，這種假設顯然是不現實的。比如說在我們使用的Internet上，DoS攻擊是很容易展開的。所以即使基于Internet的聯盟鏈也不使用如上的假設。一般來說，Internet是一個異步網絡，常用的異步網絡是用如下的模型來刻畫的：存在一個GlobalStabilizationTime(GST)，在GST之前，任何消息可能丟失，或被重新排序。在GST之后，網絡變為同步網絡GST什么時候開始，沒人知道。所以說，我們區塊鏈所需要的拜占庭協議必須在可以丟失很多信息的異步網絡具有魯棒性。目前市場上的區塊鏈里使用最多的拜占庭協議很多是圖靈獎獲得者BARBARALISKOV和她的學生設計的PBFT(practicalBFT)及其變種。

Bitget公布用戶保護基金，當前規模達3億美元:3月8日消息，Bitget官方近日披露其風險保護基金，以確保用戶的資產得到充分保護。截至目前，該基金規模達3億美元，其中包括6500個BTC、1.6億個USDT和4000萬個USDC。

據官方信息，這是中心化交易所中第二大的用戶保護基金。這些資產存儲在七個公共錢包地址中，用戶可以實時跟蹤驗證。且Bitget官方承諾在未來三年內會保證將該基金價值維持在3億美元。保護基金詳情可查閱官方網址。[2023/3/8 12:48:58]

拜占庭協議并不能保證區塊鏈系統安全可靠

那么我們關心的問題是：這些為異步網絡設計的拜占庭協議對區塊鏈的應用來說是安全可靠的嗎？特別是，這些拜占庭協議在基于Internet的網絡環境里是安全的嗎？如果這些拜占庭協議達不到在拜占庭威脅模型里的安全性，我們很難想象大家會對這些區塊鏈系統提供的服務產生信任。如果我們仔細的去分析這些拜占庭協議，我們會發現他們都有一個基本的假設：拜占庭所使用的通訊網絡存在一個安全的廣播協議如果一個節點在時刻t廣播一條消息m，所有的節點在t+△時刻之前，會收到同樣的消息m但是我們知道，在Internet的網絡環境里，DoS(DenialofService)攻擊可以讓某些節點接受不到廣播者發送的消息的。特別是，在異步網絡的GST時刻前，DoS是允許的。所以說廣播協議在異步網絡的GST時刻前是不安全的。我們的結論是：如果DoS攻擊是可能的，那么我們沒法保證目前很多區塊鏈使用的拜占庭協議是安全的。帶著好奇心，大家可能很想知道目前的區塊鏈系統是如何實現廣播協議的？大部分的廣播協議都是基于Bracha在1987年發表的如下論文：G.Bracha."AsynchronousByzantineagreementprotocols."InformationandComputation75.2(1987):130-143.但是很遺憾，Bracha的論文有一個經常被大家忽略的假設：如果要使Bracha的廣播協議安全，其通訊網絡必須要有點對點可靠通訊渠道問題就出在這個假定。因為要保證可靠的點對點的通訊渠道，那么DoS攻擊應該是不被允許的。此外要保證網絡里可靠的點對點的通訊渠道，網絡需要有足夠的連接度。大家可以參閱以下文章關于可靠的點對點的通訊渠道以及網絡連接度之間的關系刻畫：Y.WangandY.Desmedt.Perfectlysecuremessagetransmissionrevisited.InformationTheory,IEEETran.,54(6):2582–2595,2008綜合以上討論，我們很容易得出結論：目前很多區塊鏈系統所使用的拜占庭協議并不能保證在基于Internet的網絡環境里是安全的。我們將在以后的一些列文章里逐個分析目前聯盟鏈和公鏈里普遍使用的拜占庭協議是不是在基于Internet的網絡環境里是安全的。如果這些區塊鏈系統使用的拜占庭協議達不到在拜占庭威脅模型里的安全性，我們很難想象大家會對這些區塊鏈系統提供的服務產生信任。總結一下：我們認為目前已開發的區塊鏈系統的安全性還沒有經過足夠的分析。所以我們無法來確認哪些應用場景是可以在聯盟鏈或公鏈上運行的。我們對區塊鏈系統的安全性研究還處于很初級的階段。就像上世紀八十年代我們對Internet安全性研究的理解一樣。在1988年一個MIT研究生寫的毛毛蟲Morrisworm感染了世界上當時10%的電腦。從而讓整個世界的Internet系統處于癱瘓狀態。如果我們沒有對區塊鏈系統的安全性有足夠的研究和準備，這種毛毛蟲攻擊很可能在區塊鏈系統上會上演。我們將在下幾個月的系列文章里將我們的研究逐步介紹給大家！敬請大家關注。下期文章預告：區塊鏈廣泛使用的拜占庭協議PBFT的安全性分析：PBFT被廣泛使用于聯盟鏈和一些公鏈。作者介紹王永革教授，Sperax首席科學家，著名華裔密碼學家，北卡羅來納大學夏洛特分校(UNC,Charlotte)計算機系終身教授，德國海德堡大學獲得博士學位。王教授發表了一百多篇學術論文，研究范圍包含計算復雜性理論、密碼學、容錯計算、分布式計算、基礎設施保護、安全通信、計算機和網絡安全、云安全、信息論和后量子密碼學。王教授參與標準組織制定協議，如IETF、W3C、XML安全協議、IEEE1363加密技術標準化組和SAN網絡安全標準ANSIT11小組。

Circle CEO：Circle仍將長期致力于成為上市公司:12月5日消息，Circle CEO Jeremy Allaire發推稱，Circle仍然長期致力于成為一家上市公司。Circle在2022年第三季度實現盈利，總收入和儲備利息收入為2.74億美元，凈收入為4300萬美元。Circle在第三季度結束時擁有近4億美元的無限制現金。

據此前報道，USDC主要發行方Circle Internet Financial與特殊目的收購公司（SPAC）Concord Acquisition Corp宣布，相互終止其最初于2021年7月公布并于2022年2月修訂的擬議業務合并計劃。終止擬議的業務合并已獲得Concord和Circle董事會的批準。[2022/12/5 21:24:02]

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