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科普 分布式共識案例研究

2019-08-04 13:09:50 來源: ethfans 百度搜索更多類似文章,點擊進入>>>

  2018 年 11 月,Preethi Kasireddy 發表了一篇非常棒的關于分布式共識的文章。文章很好地涵蓋了有關分布式系統的基礎知識及它們的歷史。

  編者注:開篇提到的 Preethi Kasireddy 關于分布式共識的文章已由 EthFans 完成翻譯,中譯本見文末超鏈接。

  從比較抽象的角度來看,分布式系統的設計離不開各種各樣的權衡。每一個共識算法通常都可以拆分成三個步驟:1)選舉,2)投票,和 3)決定,執行這個過程的方法則大相徑庭。

  縱觀分布式系統工程史,我們尚未設計出一個拜占庭容錯(“BFT”)的異步共識機制。讓我們逐個解釋一下這些術語:

  “異步”

  “同步” 指的是動作或事件同時發生。因此,“異步” 與 “同步” 相反;它指的是動作或事件沒有同時發生。同步系統假想的是一個完美的網絡,其中的節點都是有組織的,并且能在規定的時間范圍內完成消息的傳遞。這與實際情況不符,分布式系統沒有全局時鐘,因此需要一種方法來確定錯落發生在網絡中不同計算機上的事件的發生順序。解決這個問題有多種方法,其中最主要的兩種是:1)部分同步(partial synchrony)和 2)異步。

  部分同步介于同步和異步之間。部分同步假設消息傳遞時間是有上限的,但限制了這種假設所能造成的影響。(部分同步假設就是要求,只要消息傳遞時間有上限)共識算法無論是否知曉超時上限都能保證達成共識。

  在異步的環境中,共識不能保證在一個固定的時間段內達成(不存在固定的時間上限)。異步系統的設想是網絡可能會無限期地延遲消息、復制消息,或無序地傳遞消息。這往往更加接近現實系統的真實情況。

  “拜占庭容錯”

  對于不熟悉這個領域的人來說,拜占庭將軍問題是一個古老的計算機科學問題,指的是一個系統的組件可能會發生故障,而關于一個組件是否發生故障的信息并不完整。這個詞得名于一個寓言——幾個各自帶領拜占庭軍隊的將軍制定一個攻城計劃。最簡單的模式是,這些將軍只能決定是進攻還是撤退。一些將軍可能更傾向于進攻,而其他將軍則更傾向于撤退。重要的是,每個將軍都要就作戰計劃達成一致,如果沒有達成一致,只有少數幾位將軍發起進攻的話,最后只會一敗涂地,比起聯合進攻或聯合撤退帶來的結果更加糟糕。

  由于存在將軍叛變的情況,這個問題就會變得更加復雜,他們不僅會投票贊成次優戰略,而且可能會搞投機。舉例來說,如果有 5 名將軍參與投票,其中兩人支持進攻,而另外兩人支持撤退,剩下一人可能會向 “撤退派” 發送支持撤退投票,并向 “進攻派” 發送支持進攻的票。那些從第 5 名將軍那里得到撤退票的將軍將撤退,而其余的將軍則會進攻(“進攻派”可能就要遭殃了)。這些將軍在地理上相互隔絕,必須通過信使將自己的投票傳遞給其他將軍,而信使可能無法成功傳遞或偽造虛假投票,這使得問題進一步復雜化。在這個例子中,第 5 名將軍作惡的動機可能是,等到進攻失敗后,其他軍隊都喪失了戰斗力,自己就可以帶領軍隊一舉拿下城池,獨享權力(不必與其他將軍分享)??傊?,拜占庭將軍問題指向了一個現實問題:行動者必須達成一致的協同作戰策略,以避免災難性的系統故障,但一些行動者是不可靠的。

  拜占庭將軍問題本質上沒有限制,也不對分布式網絡中的節點可能采取的行為類型做任何假設。在拜占庭系統中,節點有不同的動機,可能會撒謊、協作或任意行動,簡單的多數決原則不足以達成共識。拜占庭容錯(“BFT”)系統的設計前提是網絡中的節點不應該受到單個節點行為的決定性影響。

  為什么設計異步的拜占庭容錯網絡如此具有挑戰性?

  設計一個異步的拜占庭容錯共識算法歷來都是一個極大的挑戰。達成異步的拜占庭容錯共識主要要考慮兩大問題:活性 vs. 安全性。

  簡單來說,偏好 “活性” 的算法可能維持了通信的持續性、但會因為缺乏共識而導致網絡分裂(又稱分叉)。另一方面,偏好 “安全性” 的算法會在達成共識后才推進,但可能造成系統暫停。(譯者注:此處原文疑似弄反了 “活性” 和 “安全性” 的含義,故針對原文做了較大的改造,使其盡可能符合我們已有的知識)

  這就不得不說到比特幣了。

  比特幣的高明之處并不完全在于它的底層技術(畢竟它只是一個 C++ 編碼的數據庫),而是解決了異步拜占庭容錯問題的博弈論(偏好 “活性”)。在工作量證明系統中,所有節點不必通過通信來實現終止(例如,就一個最終狀態達成一致)并轉換到下一狀態,而是讓最快解出工作量證明數學難題的節點來決定最新狀態,并就 狀態正確的概率 達成一致。

  自比特幣誕生以來,開發者一直在努力推動基礎層(“layer 1”)的創新,以便了解不同的取舍可能會對最終結果造成什么樣的影響——不僅是對基礎層來說,還包括構建在基礎層之上的其它用例和應用程序。

  迄今為止,工作量證明可以說是已知最安全的機制設計。對于一個有潛力捕獲數萬億美元價值的用例來說,安全性極為重要。但是,如何劃分 “非常安全” 和 “足夠安全” 之間的界限呢?什么是“足夠安全”?權益證明系統足夠安全嗎?

  想要搞清楚權益證明創新目前的狀況,重要的是了解工作量證明的局限性。工作量證明的安全性與兩個稀缺資源(貢獻)有關:1)電力和 2)時間。工作量證明的支持者認為,工作量證明所進行的哈希計算需要付出不可偽造的高昂成本,這是權益證明系統所不具備的。

  相反,權益證明的支持者認為這種觀點有些狹隘,因為權益證明捕獲的是另一種稀缺貢獻:資金的機會成本。資金的機會成本是金融學的基礎知識。由機會成本的概念可知,將資金鎖定(質押)在權益證明系統中,就要放棄將這筆資金投入其他地方所能得到的收入。如果我們想更好地理解權益證明是否 “足夠安全”,那么我們應該了解一些攻擊途徑和現有權益證明系統可以用來抵抗這些攻擊的解決方案,以及它們對于權益證明系統達成分布式共識能力的影響。

  首先:女巫攻擊

  這一術語通常被行業內許多人濫用。這是一種常見于點對點網絡中的攻擊,即網絡中的一個節點同時主動操縱多個身份,并通過在全網進行重復投票來破壞 和/或 推翻聲譽系統中的權威。

  乍一看,我們很容易認為權益證明系統不存在女巫攻擊的問題。畢竟,質押本質上是需要 “押金” 的(例如,自身利益綁定),這從一開始就防止了女巫攻擊產生的可能性。

  在系統設計合理的情況下確實能夠抗女巫攻擊,但是在沒有真正的質押成本或聲譽系統的情況下,女巫攻擊不僅可能發生,它就會發生。質押不一定總需要外部成本(例如,借款、分叉、委托)。許多人認為質押都是基于本質上有限的資源,只要投票權重與資源數量成正比即可,那么它是分散在一堆女巫節點中還是由一個實體掌握并不重要。

  但并不是只有這一條路可以走。EOS 區塊鏈就是個例外:在該系統中,區塊生產者由 EOS 代幣持有者通過選舉而產生,因此可以通過聲譽系統來抵抗女巫攻擊——如果區塊生產者被認為作惡,可以將他們投出局。

  總之,可以通過(外部)質押成本或聲譽系統來抵抗女巫攻擊。一些采用質押模式的熱門項目有以太坊(參見以太坊 2.0 路線圖)、Casper Labs、Solana Labs、Tezos、DFINITY、Near Protocol、Oasis Labs、Thunder Protocol 和 Polkadot Network。

  采用聲譽系統的項目有 EOS、Cosmos 和 Terra。

  第二:分布式的拒絕服務(DDoS)攻擊

  DDoS 攻擊是一種網絡攻擊,即作惡者試圖通過暫時或永久中斷服務的方式來讓目標用戶無法使用網絡功能。

  據我們所知,有幾種方法可以抵抗 DDoS 攻擊。我們先來介紹一下共識選舉過程中的不可偏移隨機性(熵源)(回想一下前面提到的,每個共識算法通??梢苑纸鉃槿齻€步驟:1)選舉,2)投票和 3)決定)。

  這采取的是可驗證隨機函數(“VRF”)的形式。

  用最簡單的話來說,隨機性可以作為一種防止在分布式共識中搶先運行選舉過程的防御機制。有三種構造 VRF 的常用方法:1)可驗證的延遲函數(“VDF”),2)一個提交-顯示方案,以及 3)BLS 簽名。

  1.可驗證的延遲函數(“VDF”)是一種能夠對某些偽隨機生成器的輸出施加時間延遲的函數。VDF 是計算成本極高的函數,因此無法實現并行計算(這個安全特性是不是很誘人?)。

  這種時間上的延遲可以防止作惡者影響偽隨機生成器的輸出,因為在任何人計算完 VDF 之前,所有輸入都已最終確定了。以太坊 2.0、Casper Labs、Solana Labs 和 Tezos 是使用 VRF + VDF 的一些熱門的權益證明項目。

  2.在 commit-reveal (“提交-揭示”)方案中,驗證者承諾要提交某個選定的值,但在表達承諾的過程中不讓其他驗證者知道自己選定的值;當所有人都表達承諾之后,再公開自己選定的值。這些方案都是經過設計的,因此已提交值無法被更改,而且隨機性也無法被操控。Algorand 和 Ouroboros Genesis 共識(Coda Protocol,Cardano)都是使用 VRF + 提交-顯示方案的權益證明項目。

  3.BLS 簽名是“門限”簽名的一種形式,它利用雙線性配對(例如,定義的 M (N) 多重簽名)進行驗證。這里有一篇長文詳細解釋了 BLS 簽名 。(編者注:中譯本請見文末超鏈接)

  一下子講的太多了,我們消化一下吧。隨機性有助于抵抗 DDoS 漏洞,因為它能夠阻礙作惡者在分布式共識中搶先運行選舉過程。在這一節中,我們討論了可驗證的隨機函數和常用來構造該函數的三種方法。

  另一種能夠抵抗 DDoS 攻擊的方法是建立一個可識別且固定的驗證委員會,這個委員會用的是老一套方法來建立信任關系,因為每個驗證者都會在網絡中質押保證金,一旦出現作惡行為,保證金就會被罰沒(丟失)。Cosmos、EOS、Near Protocol、Thunder Protocol、Polkadot Network 和 Terra 都是實行保證金質押的固定委員會的一些熱門權益證明項目。

  第三:權益研磨攻擊。

  在權益研磨攻擊(stake grinding attack)中,攻擊者通過操縱區塊鏈來最大化自己當選出塊者的可能性。一個常見的例子就是一個擁有少量權益的攻擊者在區塊鏈歷史中找到 ta 能夠當選出塊者的機會。為了連續當選出塊者,ta 會不斷修改下一個區塊頭,直到再次當選為止。

  一般來說,對抗權益粉碎攻擊的方式與對抗 DDoS 的方式類似,可以在選舉過程中引入無偏倚的隨機性或實行保證金質押的固定委員會。

  第四:無利害關系攻擊。

  無利害關系攻擊是指委員會中的驗證者在同一區塊高度給兩個區塊都投了票(且不會受到懲罰)。簡單來說,無利害關系問題可以讓作惡者鉆空子,卻又不受懲罰。

  通常有兩種方法來抵抗無利害關系攻擊:1)質押保證金(例如,一旦出現作惡行為,參與者所質押的保證金就會被罰沒),或 2)實施分叉選擇規則。這就回到了活性與安全性的權衡問題。

  罰沒機制通常是直截了當的——如果一個節點作惡,ta 就會在經濟上受到懲罰。該機制常用于重安全性更勝于活性的網絡(參見 Cosmos、Near Protocol、Oasis Labs、Polkadot Network、Tezos、Celo 和 Terra)。

  分叉選擇規則稍微復雜一些,用于重活性更勝于安全性的網絡。一些偏重于活性的熱門權益證明項目有以太坊 2.0、Casper Labs、Solana Labs、Algorand、DFINITY、Thunder Protocol 和 Ouroboros Genesis 共識(Coda Protocol、Cardano)。更多信息請參見后文。

  第五:網絡分區。

  網絡分區的技術定義是由于網絡設備故障而導致網絡在節點之間分裂。簡而言之,如果一個網絡無法達成共識,并且相較安全性更偏重于活性,那么這個網絡將會發生分叉,并且兩條鏈將并存(這就是為什么要有 “分叉選擇規則”)。

  為了理解分叉選擇規則背后的設想,請回想一下,在工作量證明的網絡中,礦工挖出下一個區塊的概率與其貢獻哈希算力占全網算力的比重成正比。

  比特幣將分叉選擇規則和工作量證明機制相結合。礦工必須提供工作量證明(解決算法復雜度高的數學難題),因為算力的獲取成本很高,每位礦工的哈希算力都有限,所以生成工作量證明的成本也很高。如果挖錯了鏈,這部分算力就會白白浪費掉。

  這就是為什么在網絡分區(分叉)的情況下,小眾鏈的市場價值不大(這是市場的選擇),正如我們所見的那樣(比特幣與比特幣現金就是個很明顯的例子)。

  我們現在已經討論了如何對抗女巫攻擊、DDoS 攻擊、權益粉碎攻擊、無利害攻擊和網絡分區這五種區塊鏈中常見攻擊的方法。你應該已經注意到了,除比特幣外,本文舉的其它例子都是權益證明網絡。那是為什么?

  很簡單。本文旨在通過案例研究來探索是否能在 “非常安全” 和 “足夠安全” 之間劃出界限。(相比于 “非常安全的” 工作量證明網絡)“足夠安全的” 權益證明網絡是否可以通過其用例捕獲數十億美元(就算達不到數萬億美元)的價值?

  區塊鏈行業的一些投資者已經開始質疑,是否不管存不存在貨幣溢價,安全性都能上升。我們希望在這個問題上取得更多的進展。

  我們的結論

  最后,我們要分享一下從這項研究中獲得的主要收獲,并在風險/回報框架中對它們進行評估。我們認為,每一位區塊鏈從業者都應該對這些技術及其運行方式有一個基本的理解,尤其是那些聚焦于基礎項目的投資管理者。

  歸根結底,這屬于風險管理。這些技術資產都處于早期階段且具有高度實驗性質。如果不了解技術,就很容易在追逐高回報的同時嚴重低估風險。

  我們的第一個主要收獲是——必須勤奮學習技術。投資者應該了解設計漏洞,從而預測網絡將來可能會遭遇什么樣的攻擊。投資者應該了解可以實施哪些解決方案,以及這些解決方案是否向后兼容。

  第二個主要收獲是理解 為何 做決策時要考慮權衡關系。開發人員最終是希望在一個可以信任的協議之上進行構建。無論是否擁有自主權,重要的是要了解吸引開發者的是什么。畢竟,這些吸引因素在塑造我們未來的方向。

  投資者也一樣,要識別出哪些模式或趨勢是能夠在投資者和工程師之間取得平衡的。一個網絡在越能平衡這種關系,其系統性面臨的風險就越低。去中心化的網絡是一場社會協調博弈 ; 社會認可度越高,“粘性”就越大,該網絡的合理價值也就越高。

  最后一點收獲是——安全性是有范圍的。過多的營運資金對公司來說是低效的(因為這意味著公司內部可用的資金遠遠超過其運營所需的資金),過多的安全性也可能造成低效。

  我們懷疑,是否不管基礎層網絡存不存在貨幣溢價,安全性都能上升。與此相反的是,所有的基礎層協議都在爭相成為某種形式的貨幣。然而,并非所有數據或信息都具有貨幣或金融屬性(例如身份、醫療記錄等)。

  我們相信,未來十年里最重要的一項實驗就是,去中心化的信息網絡是否可以在不充當金融資產的情況下產生實質性的價值。時間會告訴我們答案。

  點擊這里查看長推文。

  感謝 @iam_preethi、@ KyleSamani、@ mrjasonchoi、@ SPEncernoon 以及其他許多鼓舞我們前進的人。

  免責聲明

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  Vision Hill 間接投資了本報告中提到的一些區塊鏈項目。本報告中的內容不應被視為投資建議,也不應視為對任意證券、策略或投資產品的推薦,或是出售要約或征求購買要約。Vision Hill 從未收取過任何報酬,也不會因撰寫本報告而收到任何報酬。

  原文鏈接: https://medium.com/vision-hill-blog/a-distributed-consensus-case-study-abf4a1b60394

  作者: Vision Hill Research

  翻譯&校對: 曾汨 & 閔敏

本文標題:科普 分布式共識案例研究
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