理解权益证明：无利害关系理论
- julianroberto
- 发布于 2022-06-27 17:56
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本文讨论了权益证明（PoS）共识机制中存在的“无利害关系”（nothing at stake）问题，该问题指的是验证者在分叉发生时可能会在每个分叉上构建，从而可能危及网络安全。文章探讨了早期PoS版本中此问题的理论基础，并介绍了以太坊的Casper升级如何通过对验证者施加经济惩罚来解决此问题，从而激励他们诚实行事。
以太坊并不是第一个尝试使用权益证明（PoS）作为共识方法的协议。点点币 在 2013 年实现了 PoS，此后不久其他项目也实现了他们自己的 PoS 版本 (PIVX，Reddcoin 等）。这些项目希望 PoS 能够消除与能源密集型挖矿相关的问题，同时保持加密货币网络所需的高安全性和去中心化水平。
PoS 社区对他们的新共识方法充满热情，但怀疑论者很快指出了 PoS 面临的两个理论安全问题；远距离攻击问题和无利害关系问题。在这篇文章中，我将描述无利害关系问题，然后讨论以太坊的 Casper 升级如何旨在解决这个问题。
权益证明中的“权益”是什么？
当我第一次了解权益证明时，我认为“权益（stake）”指的是验证者（又名 PoS 矿工）在被允许提议和验证区块之前必须提交的保证金。对于以太坊计划的 PoS 升级来说，这是真的，但第一个实施 PoS 的区块链项目不需要保证金。
在早期版本的 PoS 中，你只需要拥有代币才有资格成为验证者（又名 PoS 矿工）。在你的钱包中持有代币就是你的权益。 如果验证者攻击网络，他们的“权益”代币不会发生任何事情。
如果没有保证金，为什么还称之为权益？
这就是为什么他们仍然称之为权益的原因。这个想法是，如果你拥有一个 PoS 网络的代币，你就会对该网络的成功感兴趣。你拥有的代币越多，如果网络受到攻击，你就越有“风险”。这是因为，如果网络受到成功攻击，你的代币价值可能会大幅下降。
在这种逻辑下，根据你在网络中的权益数量授予验证权是有道理的。例如，如果你的权益代币占验证者集体质押的所有代币的 10%，你可以期望提议和验证大约 10% 的所有区块。拥有 10% 的权益，与权益较少的人相比，你被允许对网络有更大的影响力，因为从理论上讲，如果你破坏网络，你会有更多的损失。
无利害关系理论
当 PoS 首次出现时，加密社区的很大一部分人不相信仅仅拥有一个代币就足以阻止不良行为。他们主要担心的问题之一被称为无利害关系问题（从现在开始我将称之为理论）。
无利害关系理论是假设在早期版本的 PoS 中，当发生分叉时，每个验证者都会在每个分叉上进行构建。
在左边，我们看到了一个理想的情况。有时会发生分叉，但它们会很快得到解决。在右边，每个验证者都在两个分叉上进行构建。人们将这个假设问题称为无利害关系问题。
预计验证者会这样做有两个主要原因。
首先，与工作量证明（PoW）不同，验证者在多个分叉上验证交易不需要任何成本。在每个分叉上构建的计算成本不高，因为你不再需要 PoW 来创建区块。
其次，预计验证者会在每个分叉上进行构建，因为理论上这样做符合他们的经济利益。如果验证者在两个（或更多）链上进行挖矿，他们将从最终胜出的任何一个分叉上收取交易费用。如果验证者在每个分叉上进行质押，至少会对共识产生破坏性影响，并可能使网络更容易受到双重支付攻击。
在 PoW 中，同时在多个链上进行挖矿的动机并不存在。如果矿工选择在两个链之间分配他们的哈希算力（计算能力），这不会提高他们挖出一个区块的机会。
严格的安全假设
重要的是要强调，无利害关系理论考虑了极其严格的安全假设。以下是安全假设的列表：
- 它假设验证者只要有机会就会寻求利润，即使这样做会牺牲网络的安全或质量。这是加密世界中的一个标准（且明智）的安全假设。
- 它假设 0 个验证者会采取利他行为（也就是说，没有验证者会出于好意一次只在一个链上挖矿）。
- 它假设验证者不遗余力地修改他们的验证软件或下载其他人修改过的软件。标准验证软件不会附带在所有分叉上进行挖矿的能力。这是因为标准软件带有一种内部逻辑，用于在发生分叉时选择“真正的”分叉。
这种理论问题所引发的攻击
对无利害关系理论的担忧不仅仅在于它可能会延迟或使共识复杂化，主要的担忧是与工作量证明相比，它会使攻击成本更低。在 PoW 中，攻击者需要总哈希算力的 51% 才能攻击网络，但在 PoS 中，据推测，攻击成本仅为购买网络中 1% 的权益。
以下是推测的 1% 攻击的样子。
首先，让我们假设已经发生了一个分叉，并且所有验证者都在两个分叉上积极构建。我们的攻击者维罗妮卡有兴趣执行双重支付攻击。她在一个分叉（分叉 A）中将她的加密货币发送到交易所，并在另一个分叉（分叉 B）中发送到她控制的公钥。经过足够的时间后，交易所接受了她的存款，因为它正在识别分叉 A。然后，维罗妮卡用她的存款购买了一些比特币，并迅速将这些比特币从交易所取走。
现在，这就是她如何摆脱它的。
现在，她将她 1% 的权益证明能力指向分叉 B。最终，她被选中验证一个区块，并且仅在分叉 B 上进行构建。鉴于每个人都在两个分叉上进行构建，并且没有明确的“最长链”，整个网络现在收敛（也就是选择）到分叉 B。
维罗妮卡现在已经成功地从交易所窃取了比特币。她发送到交易所的加密货币已经返回到她控制的公钥，而且她现在还有一些额外的比特币。
更现实的攻击场景
之前的攻击场景依赖于假设当发生分叉时，每个验证者都会在每个分叉上进行构建。这就是我们的攻击者能够仅凭网络中 1% 的权益进行双重支付的原因。在更现实的场景中，可以安全地假设会有诚实的验证者拒绝在分叉链上进行构建。
如果维罗妮卡想在这种情况下进行双重支付，她要么必须购买更多的网络权益，要么贿赂其他验证者来帮助她进行攻击。
无利害关系真的是一个问题吗？
在阅读本文时，你可能有时会觉得这些场景有些牵强。我也是这么认为的。在研究任何证据，甚至是实际发生过的无利害关系问题的提及后，我什么也没找到。
这仅仅是工作量证明至上主义的产物吗？可能吧。
无论如何，以太坊的 Casper 旨在认真对待无利害关系理论的潜力。为了降低验证者在所有分叉上进行构建的可能性，验证者将因损失部分或全部保证金而受到惩罚。通过保证金来惩罚验证者似乎很可能使这个理论成为不可能。
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德国 NEC 欧洲实验室 — 保护工作量证明协议
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