區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性與可用性討論

現(xiàn)在工作是越來越繁忙了，聽譯視頻的頻率降得越來越低。為了盡可能跟上最新的研究進(jìn)展，還是有必要堅(jiān)持聽譯的。今天為大家?guī)淼氖莵碜悦艽a學(xué)頂級(jí)會(huì)議CCS 2016的演講視頻《工作量證明區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性與可用性討論》（On the Security and Performance of Proof ow Work Blockchains）。

如果對(duì)比特幣和區(qū)塊鏈技術(shù)有深入了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)比特幣和區(qū)塊鏈技術(shù)更多地涉及到了經(jīng)濟(jì)學(xué)和博弈論的相關(guān)知識(shí)。我們來看幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

· 比特幣可以遭受51%算力攻擊（51% Attack）。然而，如果攻擊者真的發(fā)起51%攻擊，雖然它可以篡改交易信息、獲得大量的比特幣，但這也要付出大量的算力成本。更重要的是，比特幣賬本的篡改很可能會(huì)導(dǎo)致人們對(duì)比特幣系統(tǒng)喪失信心，使得比特幣價(jià)格大跌，反而讓攻擊者遭受更大的損失。因此，雖然51%攻擊理論上是可行的，但由于比特幣已經(jīng)牽涉到巨大的算力投入，實(shí)施51%攻擊從經(jīng)濟(jì)角度講是一件吃力不討好的事情。

· 公鏈系統(tǒng)還可以遭受自私挖礦攻擊（Selfish Mining Attack）。這是Eyal和Sirer在密碼學(xué)著名會(huì)議Financial Cryptography 2014上提出的一種攻擊方法。其基本思想是：攻擊者在成功挖到一個(gè)區(qū)塊后可以暫時(shí)不公開此區(qū)塊，而是默默地在這個(gè)區(qū)塊上挖下一個(gè)區(qū)塊。當(dāng)其它誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)挖到了這個(gè)區(qū)塊后，攻擊者再把自己挖到的這個(gè)區(qū)塊公開出去。這樣做的好處在于，攻擊者由于先挖到了區(qū)塊，他可以優(yōu)先在這個(gè)區(qū)塊之后繼續(xù)挖礦，而誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)把算力浪費(fèi)在已經(jīng)有下一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊上。這么做看似可行，但攻擊者也有很大的風(fēng)險(xiǎn)：如果攻擊者區(qū)塊發(fā)布的速度不夠快，全網(wǎng)可能會(huì)很快接受誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)挖到的區(qū)塊，攻擊者就會(huì)蒙受巨大的損失，還不如早早公開挖到的區(qū)塊為妙。

為此，衡量區(qū)塊鏈?zhǔn)欠癜踩粦?yīng)該只從密碼學(xué)或者協(xié)議的角度去分析，更應(yīng)該把博弈論的思想引入其中，通過衡量攻擊者的行為是否對(duì)自己最有利來判斷區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性。而這正是本次視頻的核心思想。在巴比特上我只給出此視頻關(guān)鍵性的結(jié)論和重要的鏈接。由于巴比特上無法上傳過大的視頻文件，因此本視頻的聽譯版本發(fā)布在我的知乎專欄中（https://zhuanlan.zhihu.com/p/49494558），感興趣的讀者朋友們可以去專欄上觀看。連接打不開的原因是視頻正在知乎審核，相信在11月13日上午就應(yīng)該可以審核通過。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

要說區(qū)塊鏈系統(tǒng)最大的問題就是交易吞吐量不足了。一般用系統(tǒng)所能支持的每秒交易量（Transactions per Second，TPS）衡量交易吞吐量。而影響交易吞吐量的核心參數(shù)有兩個(gè)：（1）區(qū)塊生成時(shí)間（Block Generation Time），即平均每隔多長(zhǎng)時(shí)間可以生成一個(gè)區(qū)塊；（2）區(qū)塊大小（Block Size），側(cè)面表示每隔區(qū)塊所能容納的交易數(shù)量。例如，比特幣的區(qū)塊生成時(shí)間為10分鐘，區(qū)塊大小為1MB，而比特幣的每個(gè)交易所需要消耗的存儲(chǔ)量大約為0.25KB，因此比特幣的TPS為1000KB/0.25KB/60s=6.67。以太坊的區(qū)塊生成時(shí)間大約為15秒，雖然以太坊沒有規(guī)定每個(gè)區(qū)塊的大小限制，但是由于區(qū)塊越大，區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中的傳播速度越慢，因此以太坊實(shí)際的TPS約為20。從定性角度講，我們可以很直觀地得到下面的結(jié)論：

· 區(qū)塊生成時(shí)間越短，出塊速度越快，交易速度也就越快

· 區(qū)塊大小越大，每個(gè)區(qū)塊所能容納的交易量越大，交易速度也會(huì)變快

如果區(qū)塊鏈系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer-to-Peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)延遲，所有區(qū)塊都可以瞬間同步給全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)，我們就可以把區(qū)塊生成時(shí)間設(shè)置得足夠小，區(qū)塊大小設(shè)置得足夠大，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)支持任意高的交易吞吐量。但是，由于網(wǎng)絡(luò)延遲的存在，全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)并不總能很快地獲得最新的區(qū)塊信息，這就會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)區(qū)塊的出現(xiàn)。當(dāng)全網(wǎng)挖出了兩個(gè)區(qū)塊時(shí)，兩個(gè)區(qū)塊就需要根據(jù)規(guī)則進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，最終只有一個(gè)區(qū)塊會(huì)勝出，而另一個(gè)區(qū)塊將被廢棄，成為廢區(qū)塊（Stale Block）此區(qū)塊關(guān)聯(lián)的算力也就被浪費(fèi)了。

不僅是算力浪費(fèi)的問題，競(jìng)爭(zhēng)區(qū)塊是區(qū)塊鏈出現(xiàn)各種共識(shí)協(xié)議攻擊的核心原因。正是由于競(jìng)爭(zhēng)區(qū)塊的存在，只要攻擊者可以在篡改交易時(shí)確保被篡改交易所關(guān)聯(lián)的區(qū)塊可以競(jìng)爭(zhēng)成為合法區(qū)塊，攻擊就可以成功。這就引入了區(qū)塊鏈中針對(duì)共識(shí)協(xié)議的經(jīng)典攻擊：自私挖礦攻擊，雙花攻擊（Double Spending Attack）。

直觀來看，區(qū)塊成為廢區(qū)塊的比率，即廢塊率（Stale Block Rate）越高，區(qū)塊鏈遭受攻擊的概率也就越高。實(shí)際測(cè)試表明，比特幣的廢塊率約為0.4%（感謝比特幣極慢的出塊時(shí)間和嚴(yán)格的區(qū)塊大小限制）；以太坊的廢塊率約為6.8%（但由于以太坊中有叔區(qū)塊的概念，因此雖然區(qū)塊率被廢棄，但關(guān)聯(lián)的算力仍然起作用）；狗幣的廢塊率是0.6%，萊特幣的廢塊率是0.3%。

有了這樣的結(jié)論，區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們就要做出權(quán)衡了：

· 提高區(qū)塊生成時(shí)間、增加區(qū)塊大小，則交易吞吐量會(huì)顯著提高，但區(qū)塊鏈的安全性就會(huì)降低。

· 反之，降低區(qū)塊生成時(shí)間、減小區(qū)塊大小，交易吞吐量就會(huì)降低，但區(qū)塊鏈安全性會(huì)提高。

我們要解決的問題是：不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)會(huì)設(shè)置不同的參數(shù)，參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量、算力分布、出塊時(shí)間、區(qū)塊大小、乃至攻擊者所擁有的算力都不一樣，如何橫向?qū)Ρ雀鱾€(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性，從而選擇最優(yōu)的參數(shù)呢？

本視頻對(duì)應(yīng)的論文的主要貢獻(xiàn)為：

· 提出了一種量化衡量指標(biāo)，可以客觀分析工作量證明區(qū)塊鏈系統(tǒng)在抵御雙花攻擊、自私挖礦攻擊方面的能力。

· 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)區(qū)塊鏈仿真器，可以仿真區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的廢塊率，從而幫助衡量區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性。

這一工作可以得到很多有意思的結(jié)果，例如：

1. 可以把比特幣的出塊時(shí)間從10分鐘提高到1分鐘，使得比特幣的TPS從6.67提高到66.7，同時(shí)不會(huì)犧牲比特幣的安全性。

2. 37個(gè)以太坊的區(qū)塊確認(rèn)量等價(jià)于6個(gè)比特幣的區(qū)塊確認(rèn)量?？紤]到以太坊的出塊時(shí)間為15秒，而比特幣的出塊時(shí)間為10分鐘，因此當(dāng)交易被以太坊區(qū)塊確認(rèn)后，只需等待大約10分鐘，其交易的安全性就等價(jià)于比特幣等待60分鐘的安全性。

3. 自私挖礦攻擊不一定是一個(gè)理智行為。在特定的場(chǎng)景下，與其實(shí)施自私挖礦，不如誠(chéng)實(shí)挖礦的收益大。

4. 區(qū)塊挖礦回報(bào)率越高（用代幣所具有的實(shí)際價(jià)格衡量），則區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身的安全性也會(huì)越高。

系統(tǒng)主要有2部分組成：

· 區(qū)塊鏈仿真器，可以配置相應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的仿真，得到廢塊率。支持設(shè)置的參數(shù)有：區(qū)塊生成時(shí)間、各節(jié)點(diǎn)算力分布情況、區(qū)塊大小、各節(jié)點(diǎn)的地理位置（即節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)）、節(jié)點(diǎn)維護(hù)的TCP連接數(shù)量（即各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量）、區(qū)塊傳播協(xié)議等。

· 安全模型，可以得到相應(yīng)的安全量化指標(biāo)。支持設(shè)置的參數(shù)有：攻擊者所擁有的算力、攻擊者的網(wǎng)絡(luò)連接情況、攻擊者分隔全網(wǎng)算力的能力（即日蝕攻擊，參見我之間分享的視頻：比特幣點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的日蝕攻擊）、全網(wǎng)默認(rèn)交易的確認(rèn)次數(shù)。

通過對(duì)比量化指標(biāo)，我們就能橫向?qū)Ρ雀鱾€(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性了。