RAN:為什么Polkadot的GRANDPA協議不夠安全？

本文將討論Polkadot為解決拜占庭容錯問題而提出的共識協議——GRANDPA協議。在本文中，我們默認讀者已經熟悉拜占庭容錯問題，所以我們將直接介紹Polkadot的GRANDPA協議是如何解決拜占庭容錯問題的。首先，我們將簡潔明了地介紹GRANDPA協議的主要內容。然后，我們將討論可能導致GRANDPA協議失效的攻擊方式。最后，我們會就如何解決上述安全漏洞，提出可能的解決方法。

概率確定性與可證明確定性

經由Casper FFG（Friendly Finality Gadget）協議啟發，GRANDPA是一種新的、拜占庭容錯的(BFT)、確定性工具的（Finality Gadget）共識協議。確定性工具（Finality Gadget）是一套經由一定提議機制而最終確定一條區塊鏈上內容的機制。由“確定性工具”最終確認的鏈上內容，具有最終性，即不可逆。

DeFi收益率市場Pendle TVL達3835萬美元，創歷史新高:3月19日消息，defillama數據顯示，DeFi收益率市場Pendle總鎖倉價值（TVL）達3835萬美元，創歷史新高。[2023/3/19 13:13:12]

正如Polkadot Wiki上所說：“那種運行純粹中本聰式POW共識協議的區塊鏈，只能達到概率確定性并完成最終共識。”與之相對，像GRANDPA或Casper FFG之類擁有確定性工具機制的協議，則可以為我們提供更強大的保證，稱為可證明確定性。GRANDPA的確定性工具機制帶來的可證明確定性，保證了經過一定共識機制運作之后，那些被最終確認的區塊里的內容將永不可逆。

Polkadot的GRANDPA

Polkadot，是通過一個提名權益證明（NPoS）系統，將BABE用作其區塊生成機制的（BABE，即著名的Blind Assignment for Blockchain Extension，即區塊鏈擴展盲分配）。這個系統使用提名權益證明機制（NPoS），顧名思義，這個系統會通過一個提名過程選出驗證者。在這個區塊鏈系統中，為了從一個普通的參與者變成一個提名者，參與者需要先將其代幣作為抵押品。這之后，這個升級為提名者的參與者，就可以提名他/她認可的節點作為驗證者了。當被他/她提名的驗證者偏離協議，他/她抵押的權益就將被削減，作為懲罰；相反，當被他/她提名的驗證者遵守協議時，他/她也會獲得報酬，作為獎勵。另外值得一提的是，在這個區塊鏈系統中，當選了的驗證者在共識協議中的投票權是同等的。

穆迪下調Silvergate評級，前景為負面:金色財經報道，在 Silvergate Capital 及其銀行子公司 Silvergate Bank 的獨立基準信用評估從 ba3 下調至 b2 后，穆迪下調了該銀行的評級。Silvergate Capital 的長期發行人評級從 B1 下調至 B3，展望仍為負面。穆迪在一份報告中表示，雖然該公司已裁員約 40%，但鑒于以加密貨幣為中心的公司的存款大幅下降，我們預計盈利能力將在未來幾個季度受到嚴重挑戰。[2023/2/21 12:20:17]

有了GRANDPA（GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement）作為它的確定性工具機制，Polkadot的中繼鏈包含兩個不同的協議，分別對應兩種不同類型的網絡。我們要討論的是第一個協議。這個協議對應的網絡，是部分同步的，并且最多可以有1/3的參與者是惡意的。我們生活中遇到的網絡，通常都是部分同步的。這是一個分布式系統的專業術語，簡而言之，是指：網絡在大多數情況下是同步的，當網絡不同步時，經過一定時間，也會回到同步的狀態（同步也是分布式系統的專業術語，這個可以暫時理解成日常用語里的“同步”）。

Coinbase今日正式啟動Hashflow（HFT）交易:金色財經報道，據 Coinbase Asset 在社交媒體上發文，Coinbase 今日在以太坊網絡（ERC-20 Token）上增加對 Hashflow（HFT）的支持。Coinbase 提醒用戶不要通過其他網絡發送次資產，否則可能會遭遇資金丟失風險。如果滿足流動性條件，Coinbase 會于美國東部時間 2022 年 11 月 7 日上午 9:00 或之后開始啟動 Hashflow（HFT）交易。一旦建立了足夠的該資產供應，Coinbase 的 HFT-USD 交易對的交易將分階段啟動，但在某些司法管轄區，對 HFT 的支持可能會受到限制。[2022/11/7 12:28:57]

關于GRANDPA，值得注意的是：1）只有被確定性工具機制最終確認的區塊能影響區塊的生成  2）可以同時為不同高度的多個區塊投票，這與Casper FFG不同。

Cash App：已通過閃電網絡支持發送和接收BTC，但7天交易上限為999美元:金色財經報道，據 Cash App 比特幣產品負責人 Michael Rihani 在社交媒體上披露，該平臺用戶現在可以使用閃電網絡發送和接收 BTC，此前 Cash App 用戶只能通過閃電網絡發送比特幣。不過根據 Cash APP 官方網站披露，雖然使用閃電網絡“通常很少或不涉及任何費用”，但通常僅用于發送少量 BTC，而且其平臺還設定了 7 天內最多可發送或接收價值 999 美元 BTC 的限制。[2022/10/26 16:38:56]

本文只討論Polkadot的第一個協議。它專為部分同步網絡設計，不能容忍網絡分區或DoS攻擊。另外值得注意的一點是，該協議假定在未知時間GST之后，網絡變為同步。

每個參與者都存儲一個由BABE產生的區塊樹，這個區塊樹的根區塊是創世塊。參與者可以對樹上的一個區塊投票。如果一個區塊B獲得X票，X票包括了B自己和B的子孫節點的所有票。然后，?-GHOST函數g（S）返回獲得票倉S里絕對多數的區塊中區塊高度最大的那個區塊，記作B。

加密初創公司Gauntlet為DAO推出資金管理系統Aera:金色財經報道，加密初創公司Gauntlet宣布推出一種基于獎勵的無領導去中心化自治組織 ( DAO ) 的財務管理系統Aera。Aera 協議旨在讓 DAO 在投資快速發展的去中心化金融 (DeFi) 市場時發揮更加敏捷和具有風險意識的角色，為傳統金融中用于對沖風險和提高資本效率的結構性產品或衍生品創造有機需求。Aera 將激勵某些 DAO 參與者將資產分配給風險產品，當達到投資目標時，他們將獲得獎勵，如果濫用 DAO 福利將受到懲罰。[2022/10/13 10:33:20]

然后，區塊作者著手確定這個區塊B在票倉S中獲得絕對多數的可能性。GRANDPA協議的論文《Byzantine Finality Gadgets》這樣定義：“我們說，如果至少有2t + 1張票是超額投票（即一個投票者投了多于一張票）或者投給了除B子孫區塊的其他區塊，那么區塊B在票倉S中占據大多數是不可能的；否則，區塊B在票倉S中獲得絕對多數是可能的。”此外，論文還指出，“一個區塊B在一個票倉S里獲得絕對多數是可能的，當且僅當存在一個容錯票倉T，T是票倉S的子集，并且區塊B在票倉T中占絕對多數。”

這個協議在實踐中會出現以下的幾個問題：

如果我們假設區塊B和C不一致，而t個惡意投票者加1個誠實投票者投票給了B，2t個誠實投票人投給了C，那么根據上述定義，B得到絕對多數是可能的。然而，因為誠實的投票人不會超額投票，所以票倉S里不總是有一個子票倉T使得T里有絕對多數。這就使得GRANDPA無法實現活躍性保證。接下來，我們將詳細介紹這種情況。

假設我們保持相同的情況，以B和C作為在某個回合r中產生的兩個子區塊-也就是說，BABE在此回合經歷一個分叉，并且結果產生了兩個子塊B和C。

在第r輪，t + 1個投票者（所有t個惡意投票者+ 1個誠實投票者）投票給B，其余2t誠實投票者投票給C。因此，對每個投票者i，我們的g（）函數都會從前一個回合的estimate，E_ {r-1，i} [ E_{r,v} 表示投票者v在r輪的一個estimate，這個estimate包含了所有本可以在r輪最終確定卻實際上沒有被最終確定的區塊的信息，詳見論文《Byzantine Finality Gadgets》] 中輸出一個向B、C的一個祖塊。相應地，每個參與者都預先承諾（pre-commit）該祖塊。（值得注意的是，即使是網絡上誠實的節點，也可能由于網絡延遲或異步而出現這種分裂的投票結果。一個誠實節點可以首先接收到區塊B，因此它投票給B。其他誠實節點首先接收到C，因此他們投票給C。）

現在，每個投票者i估計從第r-1輪的E_ {r-1，i}來的祖塊可能是哪個塊。由于C_ {r，i} [ C_ {r，i}表示參與者i在r輪收到的所有預先承諾（pre-commits）] 可能導致E_ {r，i}的任何子級得到多數投票，因此回合r無法完成，整個共識過程失敗。

即使可以通過修正GRANDPA中的語義定義來解決此處討論的問題，我們也可以類似地將在Tendermint協議的討論中提到的那些攻擊用于GRANDPA。最終，我們只能得出結論，GRANDPA協議在上述網絡中不安全。

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