Vitalik：區塊鏈“驗證”的哲學

區塊鏈最強大的特性之一，就是可獨立驗證區塊鏈執行的每個部分。即使大多數區塊鏈礦工被攻擊者接管，但如果該攻擊者試圖推送無效區塊，網絡也可以簡單地拒絕它們。即使是某些時間段未驗證區塊的那些用户，也可以獲得驗證用户的警告，此時他們可檢查攻擊者的鏈是否無效，並自動拒絕它，然後協調接受遵循規則的區塊鏈。

但我們實際上需要多少驗證呢？我們需要100個獨立的驗證節點，還是1000個？我們是否需要一種文化，使得全世界的普通人都能運行檢查每筆交易的軟件？這些問題是一個挑戰，尤其是當我們要構建一個比“中本聰”最初創建的工作量證明共識機制更好的區塊鏈，那解決上面這些問題就顯得非常重要。

為什麼需要驗證？

有兩個主要原因可以解釋，為什麼用户去驗證區塊鏈是有益的。

1、首先，它最大限度地提高了節點能夠正確地確定，並辨識規範鏈的機會。通常，規範鏈被定義為“擁有最多礦工/驗證者支持的有效鏈”。而無效鏈會被定義拒絕，如果在多個有效鏈之間進行選擇，那麼從礦工/驗證者那獲得最多支持的區塊鏈就會獲勝。因此，如果你有一個節點來驗證所有的有效條件，從而檢測出哪些鏈是有效的，哪些鏈是無效的，那你就可以最大限度地檢測出規範鏈到底是什麼。

2、驗證區塊鏈是有益的，還有另一個更深層次的原因。假設一個強大的參與者試圖對協議發起更改，並且其得到了大多數礦工的支持。如果沒有其他人驗證這條鏈，那麼這種攻擊就很容易成功：每個人的客户端都會默認地接受新鏈，當任何人看到發生的事情時，將由持不同意見者來協調對這一區塊鏈的拒絕。但是，如果普通用户正在進行驗證，那麼協調問題就落在另一面：現在，無論是誰試圖更改協議，都有責任説服用户主動下載軟件補丁，以接受協議更改。

如果有足夠多的用户在驗證，那麼一個有爭議的協議更改嘗試，將默認為混亂，而不是默認為勝利。默認混亂仍然會造成很多混亂，這需要社區協調來解決，但它在攻擊者面前設置了一個更大的障礙，它大大降低了攻擊者的信心，從而降低其試圖發動攻擊的積極性。如果大多數用户正在驗證，而攻擊只獲得了大多數礦工的支持，那麼攻擊將完全默認為失敗，這會是所有攻擊中最好的結果。

請注意，這種推理與我們經常聽到的另一種推理方式截然不同：根據“定義”，改變規則的鏈在某種程度上不是正確的鏈，而且不管有多少其他用户接受一些新規則，重要的是你個人可以繼續使用你喜歡的舊規則。

以下是Gavin Andresen提出的“按定義”視圖的一個示例：

下面則是來自Wasabi 錢包的另一個示例，從解釋全節點為何有價值的角度來看，這一點更為直接：

請注意此視圖的兩個核心組件：

1、根據定義，不接受你認為基本、不可協商規則的鏈不是比特幣，而不管有多少人接受這條鏈。

2、重要的是，你要留在一條你認為有可接受規則的區塊鏈上。

然而，我認為這種“個人主義”的觀點是非常錯誤的。為了瞭解原因，讓我們看看我們所擔心的場景：絕大多數參與者接受了協議規則的某些更改，而這些改變是你所無法接受的。例如，設想一個交易費用非常低的未來，為了保證區塊鏈的安全，幾乎所有其他人都同意修改一套增加發行量的新規則。然後你頑固地繼續運行一個執行舊規則的節點，並且分叉到與大多數節點不同的區塊鏈上。

從你的角度來看，你仍然可以將幣放在可接受規則下運行的系統中。但是那又怎樣呢？其他用户將不會接受你的幣，交易所將不接受你的幣，公共網站可能會顯示新幣的價格，但他們指的是大多數人接受的那條鏈，而你的幣是沒有價值的。

本質上，加密貨幣和區塊鏈是社會結構，如果沒有人相信它們，那它們就毫無意義。

那麼，另一種觀點是什麼呢？其核心思想是通過協調問題將區塊鏈視為工程安全。

通常情況下，我們遇到的協調問題不會是什麼好事：對於大多數人來説，如果英語能擺脱其高度複雜和不規則的拼寫系統，或者如果美國改用公制，或者如果經濟衰退時我們可以立即把所有的物價和工資降低10%，那麼在實踐中，這需要所有人同時就轉換達成一致意見，而這通常是非常困難的。

然而，在區塊鏈應用中，我們可利用協調問題來發揮自己的優勢。我們正在利用協調問題造成的摩擦，以作為防止中央集權行為者瀆職的一道屏障。我們可以構建具有屬性X的系統，並且我們可以保證它們將保留屬性X，因為將規則從X更改為非X，需要一大堆人同意同時更新他們的軟件。即使有一個參與者可以強制改變，這樣做也很困難。

注意，這個觀點會帶來一個特別的結果：全節點的目的並不是為了保護你，在有爭議硬分叉的情況下，擁有全節點的人是安全的，而沒有全節點的人是容易遭受攻擊的。相反，這裏的觀點更多的是羣體免疫：驗證的人越多，每個人就越安全，即使只有一部分人在驗證，每個人都會因此得到高水平的保護。

2 深入研究驗證

現在我們進入下一個主題，這個主題與輕客户端、分片等主題非常相關：通過驗證，我們實際上實現了什麼？為了理解這一點，讓我們回到前面的一點，如果攻擊發生了，我認為攻擊的發生方式具有以下優先順序：

默認為失敗>默認為混亂>默認為勝利

這裏的“>”當然是“優於”。最好的情況是攻擊完全失敗，其次是攻擊導致混亂，每個人都不同意正確的鏈是什麼，而最糟糕的則是攻擊成功。為什麼混亂要比勝利好得多？這是一個動機問題：混亂增加了攻擊者的成本，並降低他們肯定會獲勝的確定性，因此從一開始就阻止了攻擊的企圖。默認為混亂環境，意味着攻擊者除了要贏得51%算力競爭，還需要説服社區跟隨，這要比簡單發起51%攻擊要困難地多，也沒有那麼吸引人。

驗證的目標是從默認勝利改為默認失敗，或者默認混亂。如果你們都有一個全驗證節點，並且攻擊者試圖推行一條具有不同規則的鏈，則攻擊就會失敗。如果有一些人有一個全驗證節點，而其他人沒有，那麼攻擊會導致混亂。但現在我們可以思考：有沒有其他方法可以達到同樣的效果？

3 輕客户端和欺詐證明

在這方面，一個自然的發展是帶有欺詐證明的輕客户端。目前存在的大多數區塊鏈輕客户端的工作原理，是驗證大多數礦工支持的特定區塊，而不必費心檢查其他協議規則是否正在實施。客户端基於大多數礦工是誠實的信任假設運行。如果發生了一次爭議分叉，則默認情況下，客户端會遵循多數鏈，如果用户希望遵循舊規則，則由用户採取積極的措施。因此，今天受到攻擊的輕客户端會默認承認攻擊是成功的。但有了欺詐證明技術，情況就開始不太一樣了。

欺詐證明最簡單的形式如下。通常，區塊鏈中的單個區塊只觸及區塊鏈“狀態”的一小部分。如果一個全驗證節點處理一個區塊，並發現它是無效的，則它們可生成一個package包。它們把這個package包廣播給輕客户端。然後，輕客户端可以獲取package包並使用該數據來驗證區塊本身，即使它們沒有來自區塊鏈的其他數據。

這種技術有時也被稱為無狀態驗證：客户端可以只保留區塊頭，而不是保留完整的區塊鏈狀態數據庫，它們可通過向其他節點請求區塊驗證正在訪問的任何所需狀態項的Merkle證明來實時驗證任何區塊。

這種技術的強大之處在於，輕客户端只有在聽到警報時才可以驗證單個區塊。因此，在正常情況下，輕客户端仍然是輕客户端，它們僅檢查大多數礦工/驗證者支持哪些區塊。但在那些例外情況下，多數鏈包含輕客户端不會接受的區塊，只要至少有一個誠實節點來驗證欺詐區塊，該節點就會發現它是無效的，然後在它廣播欺詐證明後，網絡的其餘部分就會拒絕它。

4 分片

分片是這一點的自然延伸：在分片系統中，系統中的事務太多，大多數人無法一直直接驗證，但如果系統設計良好，則可以檢測到任何單個無效區塊，並用欺詐證明證明其無效，這個證明可以在整個網絡上傳播。一個分片網絡，我們可概括為每個人都是一個輕客户端。而且只要每個分片有一定的最小閾值參與者數，網絡就具有羣體免疫性。

此外，在分片系統中，區塊生產是高度可訪問的，甚至它可以在普通的筆記本電腦上完成，這一事實非常重要。網絡核心不依賴高性能硬件，這使得多數人驅動的協議變更，更難以“默認獲勝”。

這就是可審計性在現實世界中的含義：不是每個人都一直在驗證所有事情，而是每個特定部分都有足夠的眼睛，如果有錯誤，它將被發現，以及檢測到一個錯誤，則所有人都清楚可見。

也就是説，從長遠來看，區塊鏈肯定可以在這方面有所改進。一個特別的改進來源是ZK-SNARKs：有效可驗證的密碼學證明，允許區塊生產者向客户端證明區塊滿足某些任意複雜的有效性條件。有效性證明比欺詐證明更強大，因為它們不依賴於交互式遊戲來捕獲欺詐。另一重要技術是數據可用性檢查，它可防止數據未完全發佈的數據區塊。數據可用性檢查確實依賴於一個非常保守的假設，即在網絡的某個地方至少存在少量誠實節點，好消息是，這個最小誠實閾值很低，並且即使存在大量攻擊者也不會增長。

5 時間和51%攻擊

現在，讓我們來了解下“默認為混亂”思維方式最糟糕的後果：自行進行51%攻擊。目前很多社區的標準是，如果一次51%攻擊成功，那麼發生51%攻擊的區塊鏈必然會成為有效鏈。這一標準經常被嚴格遵守，最近發生的ETC 51%攻擊就很好地説明了這一點。攻擊者恢復了3000多個區塊，結果是，Geth節點使用了攻擊者的區塊鏈，而OpenEthereum節點仍然保留在原始鏈上。

我們可以説，這次攻擊實際上是默認混亂。不幸的是，ETC社區隨後選擇接受攻擊鏈作為規範鏈，這一舉動被eth_classic描述為“遵循預期的工作量證明”。因此，社區規範積極幫助攻擊者獲勝了。

但我們可以設想一個規則，一旦客户端接受了一個區塊作為規範鏈的一部分，並且該區塊有超過100個後續區塊，那麼客户端從此將不再接受不包含該區塊的區塊鏈。或者，在具有最終確定性的權益證明設置中，想象一個規則，一旦完成一個區塊，就永遠無法還原。

5個區塊還原限制僅用於説明目的，實際上，限制可能會更長，例如100-1000區塊。

明確地説，這對規範性的確定方式帶來了一個重大改變：客户端不再只查看它們自己接收到的數據，客户端還會查看數據是何時收到的。這引發了由於網絡延遲而導致客户端不同意的可能性：如果由於一次大規模攻擊而同時完成兩個衝突的區塊A和B，有些客户端首先看到了區塊A，而有些客户端首先看到了區塊B，該怎麼辦？但我會説這很好：這意味着，嘗試恢復交易的51％攻擊不會默認為勝利，而是默認為混亂，而帶外應急響應，則可以幫助選擇正確的鏈。

如果協議設計得很好，強制升級到帶外應急響應，應該是非常昂貴的：在權益證明中，這樣做需要1/3的驗證者犧牲他們的存款並遭到罰沒。

有可能，我們可以擴展這種方法。我們可以嘗試讓51%審查交易攻擊也默認為混亂。對及時性檢測器的研究，進一步推動了所有類型的攻擊都默認為失敗方向，儘管由於時間檢測器不能幫助那些連接不好且在線的節點，因此仍然存在一些混亂。

對於一個重視不變性的區塊鏈社區來説，實施這種還原限制可以説是上乘之選。很難誠實地宣稱區塊鏈是不可變的，無論一筆交易在一條區塊鏈中被接受了多長時間，總有可能有一些強大參與者的意外活動出現，並將其還原。當然，我會聲稱，即使是BTC和ETC，也已經在極端情況下設置了還原限制。如果發生的攻擊使活動恢復了數週，則社區可能會採用用户激活軟分叉來拒絕攻擊者的區塊鏈。

結論

首先，如果我們接受社會協調的合法性，並且接受涉及“ 1-of-N”信任模型的間接驗證合法性，那麼我們可以創建可擴展性更高的區塊鏈。

其次，客户端驗證對於所有這些工作都至關重要。只有少數人運行節點，而其他人依賴這些節點的網絡，很容易被特殊利益集團接管。然而，避免這樣的命運並不需要走到相反的極端，即無需讓所有人總是驗證一切！允許單獨驗證每個區塊的系統，因而用户只在其他人發出警報時驗證區塊，這是完全合理的，並具有相同的效果，但這需要接受驗證的“協調視圖”。

第三，如果我們允許規範性的定義，包括時間，那我們將為提高拒絕51%攻擊的能力打開很多大門。最容易獲得的屬性是弱主觀性：這種想法是，如果客户端需要至少每3個月登錄一次，並且拒絕恢復時間超過這個時間，那麼我們可以在權益證明中添加罰沒規則，使得攻擊變得昂貴。但我們可以走得更遠：我們可以拒絕恢復最終區塊的鏈，從而保護不變性，甚至可以防止審查。因為網絡是不可預測的，依賴時間確實意味着攻擊在某些情況下“默認為混亂”，但好處是非常值得的。

考慮到所有這些想法，我們可避免 過度中心化，過度冗餘的驗證導致效率低下，以及錯誤的規範意外地使攻擊變得更容易，並更好地構建更具彈性、性能以及安全的區塊鏈。