SPV:觀點 | 關于錯誤性證明（Fault Proof）的沉思（一）

編者注：一般而言，我們會將FaultProof認為是與Layer-2相關的概念，是Layer-2將自己的狀態報告給Layer-1時采取的模式。但在本文中，作者使用的是廣義的錯誤性證明概念，考慮的是如何設計一種錯誤性證明模式，使SPV節點獲得更高的安全性。

錯誤性證明是個極為復雜且煩人的概念，但如果你想知道我的一些心得，請耐著性子跟我一起思考吧。

-BenihimeMorgan?的河流藝術作品-

簡而言之，言而簡之

SPV節點非常易于運行及擴展；借助錯誤性證明，SPV節點可以具備和全節點相同的安全性。

我要在此引入“SPV+”模式；常規的SPV節點只需要保存區塊頭，而SPV+節點還需要保存每個區塊中的第一筆及最后一筆交易。

“SPV+”節點必須與一個全節點建立支付通道，或是建立一個LN連接。

每驗證一個區塊的正確性，SPV+節點都必須向這些全節點支付小額費用；我估計這筆費用不會超過50刀/月。

后續就是添幾個新操作碼的事：我們需要一個鏈下的rangeproof，搭配類似“SegWit”的witness-commitment技術，就能方便且低成本地使用SPV+節點了。

1.背景

A.如何讓比特幣更像實體黃金

比特幣在設計上對標的是黃金；雖然在很多方面，比特幣已遠勝于黃金，但是一談到收款，問題就來了——你怎么知道錢到賬了？如果以黃金等實物手段支付，有沒有到帳是很簡單的——就跟所有一手交錢一手交貨的情形一樣；但如果使用比特幣支付，保障資產所有權就會變成一件很抽象的事。

對于這個問題，中本聰提出了一個完美的軟件解決方案，讓你能夠知道錢到賬沒有——它就是“比特幣”軟件。

等會！這不又兜回原點了嗎？究竟這個軟件是如何運作的

謎底揭曉，比特幣軟件使用一種特殊的機制與其它運行軟件的計算機進行同步；這個機制有點類似Dropbox，但不同之處在于，由每個文件自身保證同步性，因此不會有版本控制的問題。換言之，“得知錢已到賬”和“得知你已實現同步”是一碼事。

觀點：美國加密行業正在不斷升級監管審查:金色財經報道，推特用戶Adam發推表示，美國加密行業正在不斷升級監管審查，著名的市場參與者Jane Street & Jump Trading正在縮減對美國加密貨幣市場的參與。雖然他們并沒有完全放棄該行業，但這些變化正在改變當前的市場動態。 Jump Crypto 去年遭受了多次重大打擊，包括 Wormhole 的黑客攻擊以及 LUNA 和 FTX 崩潰。在FTX 崩潰后，美國的監管格局發生了急劇變化，這導致一些人將其稱為“加密貨幣戰爭”。 Coinbase 等行業巨頭的強烈反對進一步凸顯了這種緊張局勢。鑒于Jane Street與 FTX 首席執行官 Sam Bankman-Fried 的聯系，隨著這兩家主要做市商縮減規模，我們看到美國加密貨幣市場的交易量和流動性受到直接影響。很明顯，監管環境正在改變美國的加密行業。[2023/5/23 15:20:25]

中本聰在白皮書中提出了兩種“確認錢已到賬”的方法：

運行軟件，等待實現完全同步。

首先，運行一個“輕客戶端”——只會策略性地對某些簡單部分進行同步；然后注意是否出現“alert”。

第一種方法就是所謂的“全節點”，依靠的是?

positiveproof——你理應看到X，一旦你看到X，就知道自己已經收到錢了；第二種方法稱為“SPV模式”?

1，依靠的是?

negativeproof——你本不應看到Y，一旦你看到Y，就知道自己沒有收到錢。這里的Y就是白皮書中提到的“alert”，現在大家可能更常聽到另一種叫法——“錯誤性證明”。

B.“alert”的理論支撐

我個人覺得最有意思的，反向證明機制與實際生活中的很多行為方式類似。

試想以下例子：

我們不會試圖100%杜絕兇案發生，而是在兇案發生后盡全力抓捕犯人。

我們不會試圖100%杜絕奸商存在，但如果真的出現奸商，我們會期待他被市場淘汰，然后由良商取而代之；如果有太多利益糾葛，我們會通過侵權法或規章制度淘汰我們不想要的商人。

我們不會試圖保證每一項發布的科研成果是100%零錯誤的，而是最大程度地公開它們，并期待能收到批評或指正。

觀點：Visa等暫停為Pornhub服務 XVG或將重新崛起:12月12日消息，成人娛樂巨頭Pornhub本周確認支付提供商Visa和MasterCard不再為其服務，該網站現在被迫完全依靠加密貨幣付款。Pornhub目前接受比特幣和萊特幣，同時還允許使用少量其他山寨幣，比如Pornhub自2018年以來一直接受Verge，分析指出，Verge（XVG）以其與行業的關系而聞名，如今或將重新崛起。（cointelegraph）[2020/12/13 15:01:23]

我們不會試圖100％防止司法腐敗。但是我們確實要求所有法律訴訟環節都必須記錄下來，保證庭審的公正性可由公眾及法律學者在事后追查。

我們不會試圖變得“全知全能”。但是我們希望能夠在書籍、網站中找到所需的知識技能，并希望未來會有專家讓這些信息變得更準確。

通常我們會假設一切事情都沒什么問題，直到出現足夠嚴重的錯誤，我們再去修正。如果不這么做，現實生活中我們其實很難驗證每一件事情都是100%正確的。

C.“alert”面臨的理論挑戰

“alert”的問題在于，Satoshi實際上并未實現這個想法。上個月，EricLombrozo也在

推文中也提到這一點。

-EricLombrozo：“許多我聊過的頂尖技術專家都說，錯誤性證明實在是太難實現了，而且在最糟糕的情況下甚至是不可能的。中本聰似乎認識到了其中的難度，因此從未提出過解決方案。”-

若要實現錯誤性證明，主要有以下兩個難點：

抗DoS攻擊：比特幣全節點之所以對DoS攻擊有很強的抵御能力，是因為工作量證明機制所具備的不對稱性——每隔10分鐘才能產出一個新區塊，驗證這個區塊卻只要很短的時間。不過這是否適用于“alert”？“alert”實行PoW機制嗎？誰來為服務買單？如果沒有人買單，如何阻止惡意節點濫發假的“alert”來掩蓋真的“alert”？

反向證明：惡意的/粗心的礦工可能會丟棄區塊內的一部分數據，更極端地說，礦工可能會在根本不知曉區塊里有什么的情況下，創建出一個區塊！如果區塊里包含錯誤交易，我們怎么發現呢？如果沒人發現得了，又如何提醒他人呢？

觀點：“新基建”以產業作為賦能對象不斷催生“區塊鏈+”等眾多新業態:7月21日消息，中國電子信息產業發展研究院電子信息研究所所長溫曉君表示，“新基建”以產業作為賦能對象，依托算力、數據和通信網絡的技術升級不斷催生“互聯網+”“AI+”“區塊鏈+”等眾多新業態、新模式、新應用場景，為后疫情時代內需市場拉動、產業新興增長點培育和傳統產業的數字化、網絡化、智能化轉型提供有力支撐。（騰訊新聞）[2020/7/21]

針對第一個問題，我們可以采用區塊鏈以外的方法來抵御DoS攻擊，也就是支付通道。

針對第二個問題，我們可以將“審核資源”放在驗證區塊的特定部分——簡單來說，我們可以讓節點聲明自己確實知道整個區塊所包含的內容，然后讓驗證者驗證該聲明并為其背書。

2.問題

A.SPV模式

中本聰的SPV模式（

白皮書第8章處）：

比特幣的區塊頭非常小，且易于驗證，不受區塊所含交易數量的影響。

可以很容易地證明，區塊中包含了某個東西“X”——只要有“X”本身、區塊頭，以及包含兩者的有效?MerkleBranch?即可。

還不太明白的人，可以參考下面的例子：

假設我們有三個區塊頭：headerA、headerB、headerC；每個區塊頭都分別包含一個hashMerkleRoot：hA、hB、hC。

交易Tx是否存在于這些區塊的任意一個之中？

是的，因為h()=ht，且

h(ht,hs1)=hi1

h(hi1,hs2)=hi2

h(hi2,hs3)=hA

其中：

ht是交易Tx的哈希值；

hs1、hs2、hs3是由全節點提供的哈希值。

hi1、hi2是SPV節點計算得出的中間哈希值。

上述證明的實際含義是，有一棵以hA為根哈希值的默克爾樹，它有兩個分支hi2和hs3，哈希值為證，別無其它可能；hi2也只有hi1和hs2兩個分支……層層遞推，最終可證，ht必定存在于這棵默克爾樹中，

觀點：60%到70%的礦工或已在2020年前放棄螞蟻礦機S9:數據顯示比特幣挖礦難度可能在下一次上調超過5%。此前受新冠病疫情影響的中國主要礦機制造商比特大陸、微比特和嘉楠耘智最近逐漸恢復業務。這意味著礦工們將逐步接收期待已久的新礦機并進行部署，以填補一些搶先賣掉舊礦機的礦工留下的缺口，如螞蟻礦機S9。為北美礦工提供服務的Blockware Solution首席執行官Matt D'Souza表示，“礦工們已經賣掉S9或者升級了下一代設備的電力基礎設施……可能60%到70%的礦工在2020年之前就放棄了S9。”一旦部署，這些新礦機通常提供舊礦機（如Antminer S9）兩倍的算力，可以提高總體網絡算力，這與挖礦難度正相關。此外，多位業內人士表示，盡管有幾家礦場因新冠病關閉，但多數礦場仍未受影響，在過去兩個月繼續運營。比特幣最大礦池之一幣印礦池（Poolin）首席運營官朱砝表示，“在疫情爆發期間關閉的工廠很少。我還沒有聽說過有任何一家礦場因新冠病而關閉，或者說這件事還沒有塵埃落定。”據悉，主要制造商最近已發布新設備，如比特大陸AntMiner S19系列礦機和微比特WhatsMiner M30系列礦機。（The Block）[2020/3/6]

MerkleBranch非常小，僅以log(n)的速率增長。付款者可以輕松獲得/生成MerkleBranch，并伴隨著交易一起發送給收款者；這種成本是可以忽略不計的。

也就是說，只要有比特幣區塊頭，你就能知道“錢是否已經到賬了”。區塊頭又很容易獲得，因此SPV模式似乎很容易就能實現無限吞吐量。

B.SPV模式的問題

問題在于，我們永遠無法確定一個80字節的區塊頭是否真的是“比特幣區塊頭”。

唯一的方法是檢查對應區塊的全部信息。如果存在一筆無效交易或雙花交易”），整個區塊就會被視為無效區塊。

C.好消息

雖然我們無法驗證一個80字節的區塊頭是否是比特幣區塊頭，但是好在我們能對照當前出塊難度，通過計算區塊頭的哈希值來驗證區塊頭的工作量證明。

如此一來，我們就能檢驗礦工是否真的進行了哈希運算；可惜的是，我們還是無法確定這個區塊頭是否有價值。這就好比你托礦工Matthew幫你買一盒巧克力，你很容易就能驗證“Matthew是否真的花了300多刀買了一盒巧克力”，但是你無法確定這些巧克力是否好吃，也無法確定它們是否真的含有巧克力成分。

聲音 | 觀點：比特幣核心開發者對效率提高的關注是新版本更新的一大亮點:來自Bottlepay的Matt Odell和Marty Bent近期在播客節目中對討論了Bitcoin Core 0.19.0.1版本以及該版本所引入的功能。兩人針對Erebus攻擊討論了新特性，Erebus攻擊是指黑客在惡意ISP的幫助下隔離一個或多個公共節點，并通過這種隱秘的分區過程進行51%攻擊或雙花攻擊等。Bent稱，“該版本在默認情況下增加了兩個出站連接……對精簡客戶端、區塊過濾、支付協議、GUI禁用等提供了更多支持。”

根據Odell的說法，最近的更新是為了解決這個關鍵的問題，并且已經棄用了bloom過濾器。根據BitMEX關于IBD（initial block download）的最新研究，隨著時間的推移，整個過程加快了。最新的版本在MacBook Pro上下載僅需不到一天的時間。Odell補充說，比特幣核心開發者對提高效率的關注是一個重要的亮點，這可以幫助BTC保持活躍。[2019/12/1]

D.正向/反向證明回顧

你可以吃掉盒子中的每一顆巧克力，證實每一塊巧克力都很好吃，這就是“正向證明”。

或者你可以順著以下思路進行反向證明：這盒巧克力是被包裝好了的，看起來沒有被動過手腳；再加上這盒巧克力有品牌背書，我國又嚴格執行品牌法/商標法；已經有很多人買過這個牌子的巧克力，如果質量有問題，我只要隨手搜一下就能看到相關新聞/差評。

另一個采用反向證明的例子是退款承諾。假設你要買輛車，現在有三款車子，目前你對CarC最感興趣。

若想獲得正向證明，你就要把CarC開上個數千英里，隨行配有一支龐大的機械工程師團隊一路檢查這輛汽車每個零部件，并匯報問題給你。

如果是反向證明的話：假設CarA和CarB都提供一個具有法律效力的聲明“里程數不到40000英里的車子發生故障，即可退款”；但是CarC?沒有這種承諾，那就反向證明了CarC的質量不行。

要實現比特幣上的錯誤性證明，我們需要一樣東西——在區塊合法的情況下出現；在區塊不合法的情況下絕不出現。

在博弈論中，這被稱為“信號博弈””）中的“分離均衡”。其中，錯誤性證明的發送者分為“誠實”和“不誠實”兩類，我們正試圖通過低成本的手段淘選掉不誠實的那一類。

E.我們的需求

我們需要找到一種方法能提醒我們注意?

“區塊錯誤”。理想情況下，這種警示要來的又快又準確要在“20~30分鐘內”做出響應）。

舉個具體的例子，理想情形應該如下：

“Sally”因為某些原因收到了一筆比特幣，對方向她展示這筆交易的信息，Sally也看到這筆交易是合法的。

Sally想要在不運行全節點的情況下知道這筆交易是否經過6個區塊的確認。因此，她先是下載了所有比特幣區塊頭，接著向全節點要了MerkleBranch。她得到了一個?MerkleBranch?，然而不幸的是（她根本不知道)：里面的區塊頭因為某些原因是無效的……

就在此時，“Fred“必須意識到出現問題了——有一個區塊存在一到多個“缺陷”。

必須通過某種激勵措施促使Fred向Sally發起某種警告。

在其他正常情況下，不能讓Fred有動力發起警告。

F.區塊錯誤的類別

區塊可能會出現很多種缺陷（詳見?

validation.ccp,特別是“CheckBlock”）。我將它們分為四類：

“第一類”——不良交易。

“第二類”——區塊數據缺失上，與Sally交易所在位置相鄰的節點數據處于未知或不可見狀態——這可能是人為或無意導致的）。

“第三類”——不良區塊。

“第四類”——不當累加。

第一類錯誤

第一級錯誤非常好對付。Sally可以直接通過驗證交易并reversingtheoutcome(sothat"false"validationreturens"true")來檢驗該交易的有效性，詳見下文。在SPV模式下，甚至能檢驗nLockTime和CSV，因為Sally掌握了MerkleBranch和所有區塊頭。只要觀察到兩筆交易有相同輸入，就能輕松檢查出雙花交易。重復的交易必然無法通過測試，因為它們必然屬于雙花交易。

第二類缺陷

第二類缺陷與SPV用戶的相關性最強——SPV用戶必須假設區塊的剩余部分是完整的，但是無法檢查是否真是如此。更糟糕的是，礦工可以在不核實區塊內容的情況下，創建一個新的區塊，他們也確實會這么做。因此，新創建出的區塊內可能存在無人知曉的內容，上述假設明顯是不合理的。

我將證明，從理論上來說，只要能向Sally提供有效的“區塊頭+MerkleBranch”，就應該存在一個完整的MerkleTree。因此，所有與區塊鏈數據缺失有關的缺陷，本質上就是“MerkleTree相關數據缺失”的問題。可以說，這種缺陷就是未知哈希值原像的問題，又或者說的具體點，可以通過對未知哈希原像進行采樣來解決這個問題。

我提出的解決方案是要求Sally除了區塊頭，還需要下載每一個區塊的最后一條交易?2。

第三類缺陷

ClassIII第三類缺陷

第三類缺陷非常普遍，但我相信這種小毛病可以通過一種特定的簡單方法解決。舉例來說，區塊版本如果出錯，SPV節點可以直接從自己維護的區塊頭中獲得正確的區塊版本。

其他大多數的信息缺失，可以從?coinbase交易中找到；因此除了所有的區塊頭，SVP節點還需要保存每個區塊的coinbase交易。有了這些信息，SPV節點就能知道：coinbase交易是否只出現一次且出現在正確的位置；“見證數據”是否存在及見證的內容；確定所有Withdrawal_DB和大多數Escrow_DB的正確性。

至于drivechain的Escrow_DB，主鏈?3上的SPV節點必須注意區塊中鏈間交易的累加影響；解決的方法放在第四類缺陷介紹。

所以我們要增加一些開銷——引入“SPV+”模式。“SPV+”節點除了要同步比特幣區塊頭，還要同步每個區塊的第一筆和最末尾交易，外加與這兩筆交易相關的MerkleBranch。

舊式：同步區塊鏈中每個區塊的區塊頭；每收到一筆新交易就進行一次匯總。

新式：80byte/區塊+/區塊+兩個MerkleBranch/區塊；每收到一筆新交易就進行一次匯總；與其他幾個節點建立支付通道。

SPV+模式會增加多少存儲開銷？我不確定，但假如coinbase交易約1000bytes，“最末尾交易”約280bytes，每個區塊約裝有5000筆交易，那么同步一個區塊的開銷就會提升為2192bytes/區塊?

4，而不僅僅是80bytes，而且開銷的增速不只是O(1)，會大幅提高到O(log(n))。

按照一年約產出52596個區塊，因此存儲花銷會變為約115MB/年，不只是4MB/年。這看似大幅增加開銷，但從全局的角度來看，SPV+仍然是非常節省的方案。如果Sally想要完整的檢查交易有效性，她只需要對每個區塊多下載這些數據：最近六個月產出的區塊，或是那些記錄她收到比特幣的區塊，以及一些隨機的檢查信息。

第四類缺陷

第四類缺陷非常有意思。本文第7章會介紹如何將第四類缺陷轉換成第一類缺陷，不過簡單講，要解決第四類缺陷，我要求交易哈希值不僅僅作為交易自身的保證，還要說明自己對累加指標造成的影響。舉例來說，交易不僅要保證自己是“277bytes”，還要說明“加上自己之后，宿主區塊大小從500809bytes增加為501086bytes”。這樣一來，所有的“假交易”就能被孤立且識別出來了。也就是說，最末尾交易會提供很重要的信息。

在我深入更多技術細節之前，為了避免有人因為聽不懂而掉隊，我將以故事的形式再次說明“整個邏輯”。

(未完）

注1：“全節點”與“SPV節點”的區別也許并不像人們認為的那么清楚。簡言之，當一個全節點在下載一個新區塊時，相對于再下一個塊，它自身是處于SPV模式中的。另外，再假設51%的算力在秘密運行一個新軟件，該新軟件默認增設區塊延展數據。那么，即便別的節點想成為“全節點”，也不得不變成部分全節點、部分SPV節點的混合模式。如果那些礦工后面又把協議改回去了，去除掉了延展數據要求，那么我們就又成為了100%的全節點。但是，在這個過程中可能你都沒有意識到節點形態轉變了，實際上你也沒辦法知道。所以，只有假設協議本身固定不變的情況下，使用這些數據才有意義，當然，本文也就是這么假設的。不過，實際上，協議可能變更，也確實會變更，礦工永遠可以選擇運行定制化的軟件。

注2：準確點說，是對所有她想用SPV模式來“完全驗證”的區塊都要這么做。

注3：對于自身是側鏈的那些區塊鏈，鏈間交易出錯可以被歸類為第一類錯誤。要得到錯誤警示，側鏈的SPV節點需要找出兩筆交易，一筆在主鏈上提供存款的交易，另一筆是在側鏈上記錄存入金額的交易。因此，側鏈上的Sally必須檢查主鏈和側鏈兩條鏈才能發現錯誤。

注4：單塊的全部存儲成本是：“區塊頭+第一筆交易+第二筆交易+2×(32×log2(n))”，這里的“log2(n)”指的是“根據區塊中交易的數量可得的空間占用上限”。因此，在本例中，單塊的存儲成本是“80+1000+280+2×(32×log2(5000))”，大概是2192bytes。注意，我們不需要coinbase交易的位掩碼，因為我們已經知道其確切結構，但我們可能需要知道最后一筆交易的。

原文鏈接:?http://www.truthcoin.info/blog/fraud-proofs/作者:?PaulSztorc翻譯&校對:?IANLIU&阿劍

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