ARK:區塊鏈科普：再議有效性證明VS錯誤性證明

來源：以太坊愛好者

導語

近幾個月以來，越來越多關注的目光放到了OptimisticRollup(OR)這個基于錯誤性證明的拓展框架上。我們StarkWare則采用有效性證明，因為它比錯誤性證明更安全。本文將在安全性討論之外，列舉一些VP較OR的額外優勢，同時糾正大眾對有效性證明的常見誤解，最后介紹StarkEx——StarkWare開發、基于STARK和有效性證明的拓展引擎。

在此特別說明，和OR比較，VP具有以下優勢：

從根本上更安全撤款時的資本效率高1000倍可拓展性更強在計算方面，至少能達到相同的效率

安全性

在上一篇分析中，我們比較了VP和OR，前者只會在某狀態轉換被嚴格證明有效的情況下執行該狀態轉換，而后者則允許任意的狀態轉換，參與方可以針對無效的狀態轉換提交錯誤性證明。我們的上一篇文章聚焦安全性分析，明確指出了一種能在OR中實施、且會導致OR中所有資金被盜的攻擊手段。區塊鏈上的基礎架構解決方案必須足夠健壯，要能支撐來自金融世界、每天萬億級別的資金交互負載。VP和OR分別怎樣勝任？由于在OR中竊取資金的成本和收益大小無關，所以一旦系統承載了足夠多的資本，使得破壞系統變得有利可圖，那理性的參與者肯定會想方設法通過攻擊牟利。與OR相反，VP不會轉換到任何無效的狀態，使得無論承載多少資金都不會被盜。對于大規模的金融系統，VP更健壯，而OR更脆弱。

Fetch.ai與Datarella在慕尼黑進行基于區塊鏈的AI智能城市基礎設施試驗:英國劍橋人工智能實驗室Fetch.ai正在為智能基礎設施構建去中心化機器學習網絡。Fetch.ai與總部位于德國慕尼黑的企業區塊鏈解決方案提供商Datarella合作，宣布在慕尼黑實施智能城市基礎設施試驗。慕尼黑的智能城市分區試驗稱為M-Zone，將在康奈克斯大樓啟動，并將使用基于區塊鏈的多代理人工智能服務來優化市中心商業房地產的停車資源，以減少城市的碳足跡。（ZDNet）[2020/11/20 21:30:54]

也可以站在數據集一旦遺失的角度分析系統的安全性。和VP相比，OR中的數據更為敏感。一旦數據遺失，OR中的資金就可能被盜——也正因如此，目前的設計方案都集中在鏈上數據可用性挑戰上。而對于VP，由于采用了鏈上數據，資金就跟存在Layer-1中一樣安全。至于VP的鏈下數據部分，資金最多被凍結，而不會失竊。

資金效率

行情 | 周二區塊鏈概念股進入“淘汰賽” 逾百股下跌:金色財經報道，周一區塊鏈概念現漲停潮，逾百股漲停，周二區塊鏈概念就進入“淘汰賽”，逾百股下跌。概念指數高開低走，收盤大跌1.96%，以全天最低點收盤。盤面上，僅有天廣中茂、文化長城、新湖中寶、海聯金匯等23只概念股漲停，常山北明、魯商發展2股跌停，光一科技差1分錢也封跌停，科藍軟件開盤漲7.18%收盤跌8.21%，全日振幅高達15.39%。整個區塊鏈概念板塊只有三分之一的個股飄紅，三分之二的個股下跌。投資者需要警惕其中的炒作風險。（證券時報）[2019/10/30]

數字貨幣世界中流動性的一大痛點在于資金取款時的延遲。在OR中，標準取款窗口期大約為1周時間——這是給提交錯誤性證明的有效窗口時間。在VP中，標準取款窗口大約為10分鐘——這是針對上一次計算結果來生成有效性證明的時間。因此OR的標準取款窗口時間要比VP長1000倍。使用OR就要承受這樣1000倍的不便，這不僅是時間上的延遲，也是資金效率的降低。

動態 | 北京西城“金科十條”：將對區塊鏈等前沿技術創新進行近千萬元獎勵:據人民網消息，12月8日，在2018第二屆中國互聯網金融論壇上，北京市西城區發布了《北京金融科技與專業服務創新示范區（西城區域）建設方案》和《關于支持北京金融科技與專業服務創新示范區（西城區域）建設若干措施》（簡稱“金科十條”），“金科十條”中第五條是大力扶持金融科技應用示范，倡導安全、綠色、普惠金融服務，對人工智能、區塊鏈、量化投資、智能金融等前沿技術創新最高給予1000萬元資金獎勵，切實助力產業和經濟發展，助力城市智慧運行。[2018/12/8]

我們先前描述過一個免信任的快速提款機制：想要立刻提款的用戶需要給流動性提供商打一份鏈下資產的欠條，即簽名了的條件支付交易，然后流動性提供商從自己的“存錢罐”智能合約中墊付這筆資金，在鏈上把欠條金額上的資金轉給提款用戶，整套操作需要的時間和區塊鏈網絡的轉賬時間差不多。流動性提供商會定期把累積的鏈下資產轉移到鏈上的“存錢罐”中。

工信部近日發布《2018年中國區塊鏈產業白皮書》浙江區塊鏈創業企業達36家:據工信部近日發布的《2018年中國區塊鏈產業白皮書》（以下簡稱“《白皮書》”）顯示，北京、上海、廣東、浙江是區塊鏈創業的集中地，四地合計占比超 80%。其中，浙江地區的區塊鏈創業企業達到36家，名列全國第四。與此同時，在“中國區塊鏈創業活躍度城市”排名中，杭州緊隨北京、上海、深圳之后，亦名列全國第四。[2018/5/22]

VP和OR都能應用快速取款機制。但在OR系統中，流動性提供商需要在“存錢罐”中準備1000倍的資金，因為他們收到鏈下資產等待的時間窗口要長1000倍。這個1000倍的比例和“存錢罐”流動性算法中的各種假設都無關：無論是基于取款金額期望值，或提款-存款差額，再或者是峰值流動性需求、平均撤款金額等等，OR需要的儲備金數量都是VP的1000倍。

然而，有時根本無法使用快速撤款。對于非同質化資產就沒法使用：

非同質Token：正如早先由Vitalik介紹那樣，如果一只名叫Mitzi的名貴CryptoKitty存在了鏈下，他的所有者沒法要求在鏈上再收到一只Mitzi，因為世界上有且只有這一只叫Mitzi的CryptoKitty。

印度國家改革機構研究使用區塊鏈技術跟蹤該國藥物生產與消費:據印度科技刊物《Factor Daily》報道，印度國家改革機構NITI Aayog正在研究一個基于區塊鏈的系統的概念證明，該系統可以跟蹤印度生產和消費的所有藥物，目標是在2018年底前完成概念驗證的設計，并在次年開始實施。[2018/4/11]

隱蔽交易：Zerocash風格的承諾在某種程度上也是非同質化的。要想把隱蔽交易中的資金快速提到主鏈，用戶必須要向流動性提供商揭露承諾中的數據，破壞隱蔽性。

在這種快速撤款機制無法應用的場景下，用戶只能選擇等待標準撤款窗口結束，VP則要比OR快1000倍。

可拓展性

在這一部分我們將對比不同的rollup系統，由于同類事物間的比較才有意義，因此我們只比較提供鏈上數據可用性的rollup系統，即：ORvs.STARKZK-Rollup。雖然我們不想，但是所有在鏈上存儲數據的rollup系統都將隨著rollup交易的增多而線性增大消耗的資源量。鏈上數據包含一些狀態以及見證數據。OR和StR的區別在于隨著交易量的增加，前者的見證數據線性增長，而后者把這些見證替換成了一個證明，這個證明的大小只會多項式對數級別增長。劃重點，對于足夠大、足夠多的批量交易，StR的鏈上數據指紋要比OR小很多...

從細節出發：在StR中，見證數據能核實rollup運營者所進行的查驗，因此一批計算只需要一則見證，而不需要在每一份交易后面都附一份證明。更優秀的是，在現代zkp系統中，這個證明的大小是固定的。因此隨著批量交易的增大，分攤到每一條交易頭上的資源消耗反而減少。在OR中，每一條交易都必須附上一則見證，使驗證人能核實交易的正確性。因此對于大批量的交易，并沒有均攤減少的優勢。更重要的是。OR中的見證要比交易本身大很多：比方說OR見證需要包含所有用戶的簽名1，而VP不需要。在單純的支付中，見證要比支付的數據量大3到5倍；而對于復雜的應用場景，見證通常會比狀態的數據大10倍以上，有時甚至更多。

總的來說，OR明顯要消耗更多的鏈上資源，也因此比StR更快地頂到拓展性天花板。

通用計算開支

人們常常拿VP和OR的通用計算開支做對比：即對于一個給定的鏈下計算任務，兩種不同的系統額外需要做哪些工作？下文我們將圍繞StarkWare的STARK展開，因為這是我們目前應用的VP框架。

OR：由于100個驗證者互相監督基本上能夠保證整個計算的正確性，因此當提到OR，驗證者的數量都數以百計。到了驗證階段，每一個驗證人都需要進行一遍計算任務，因此在OR中做通用計算的開支是原任務的100倍。

有必要說明，驗證人集合越小或者越多預先指派的情況，驗證人就越容易互相勾結，或者受到外界的賄賂、攻擊。

STARK：由于驗證過程的計算開支微不足道，它只需要一個實體——證明者——進行大量的計算。驗證的計算開支有多微不足道呢？現在我們甚至可以用一臺簡單的智能手機對一大批計算結果做驗證，因此可以忽略驗證的計算消耗。人們常說證明者的計算開支是原有任務的10000倍，因為證明需要消耗大量的計算來生成。但實際上StR需要的計算開支僅僅是100倍，因此額外的計算開支和OR大致相當。之所以說StR的計算開支僅有100倍，是基于以下理由：

對于算數/幾何運算操作，我們已經達到了少于100倍的計算開支。目前應用的Pedersen哈希函數僅僅比原來的操作增加了20倍計算消耗：即用STARK來證明一個Pedersen哈希值的正確性僅僅比直接計算Pedersen慢20倍。

對于那些像SHA-256那樣眾所周知計算開支很大的操作，我們正試著把那些函數換成對STARK友好的操作。我們目前受以太坊基金會的資助來進行這些研究，而且在2020年第一季度，許多密碼學大牛會提交給我們他們的替代方案建議。估計對STARK友好的哈希函數在證明時僅比某些高效的哈希算法的直接計算慢100倍。

最后，很多人之所以稱道OR是因為它能用到通用計算中，并且將支持EVM代碼，而VP不具備這一特性。對于將STARK用到通用計算中，我們持樂觀的態度。

感謝DanRobinson,JohnAdler以及VitalikButerin對本文的反饋。

BLS通常被認為是一種高效的聚合簽名機制。我們相信BLS不會只應用在這個用例中，因為它是整合多個簽名到一則消息中的最佳方式。在OR的用例中，許多消息都需要由交易收/發方簽名；而BLS簽名的驗證耗時10ms/簽名，這不僅是驗證人的負擔，主鏈在判別欺詐時也需要處理這種消耗。

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