干货 | 再议有效性证明 vs. 错误性证明

作者:  Avihu Levy & Uri Kolodny

翻译&校对: 安仔C1int&阿剑

来源：以太坊爱好者

-图源来自 Unsplash 的 Artur Tumasjan-

导语

近几个月以来，越来越多关注的目光放到了 Optimistic Rollup (OR) 这个基于错误性证明（Fault Proof）的拓展框架上。我们 StarkWare 则采用有效性证明（Validity Proofs ，VP），因为它比错误性证明更安全。本文将在安全性讨论之外，列举一些 VP 较 OR 的额外优势，同时纠正大众对有效性证明的常见误解，最后介绍 StarkEx —— StarkWare 开发、基于 STARK 和有效性证明的拓展引擎。

在此特别说明，和 OR 比较，VP 具有以下优势：

• 从根本上更安全
• 撤款时的资本效率高 1000 倍
• 可拓展性更强（链上）
• 在计算方面，至少能达到相同的效率

安全性

在上一篇分析（编者注：中译本见文末）中，我们比较了 VP 和 OR ，前者只会在某状态转换被严格证明有效的情况下执行该状态转换，而后者则允许任意的状态转换（因此是 Optimistic ，乐观的），参与方可以针对无效的状态转换提交错误性证明。我们的上一篇文章聚焦安全性分析，明确指出了一种能在 OR 中实施、且会导致 OR 中所有资金被盗的攻击手段（其它可行的攻击手段也在后续不断讨论）。区块链上的基础架构解决方案必须足够健壮，要能支撑来自金融世界、每天万亿级别的资金交互负载。VP 和 OR 分别怎样胜任？由于在 OR 中窃取资金的成本和收益大小无关，所以一旦系统承载了足够多的资本，使得破坏系统变得有利可图，那理性的参与者肯定会想方设法通过攻击牟利。与 OR 相反，VP 不会转换到任何无效的状态，使得无论承载多少资金都不会被盗。对于大规模的金融系统，VP 更健壮，而 OR 更脆弱。

也可以站在数据集一旦遗失的角度分析系统的安全性。和 VP 相比，OR 中的数据更为敏感。一旦数据遗失，OR 中的资金就可能被盗 —— 也正因如此，目前的设计方案都集中在链上数据可用性挑战（Data Availability）上。而对于 VP ，由于采用了链上数据（例如 ZK-Rollup），资金就跟存在 Layer-1 中一样安全。至于 VP 的链下数据部分，资金最多被冻结，而不会失窃。

资金效率

数字货币世界中流动性的一大痛点在于资金取款时的延迟。在 OR 中，标准取款窗口期大约为 1 周时间——这是给提交错误性证明的有效窗口时间（一个安全性参数）。在 VP 中，标准取款窗口大约为 10 分钟（利用额外的软件和硬件提升能变得更短）—— 这是针对上一次计算结果来生成有效性证明的时间。因此 OR 的标准取款窗口时间要比 VP 长 1000 倍（1 周/10 分钟 ~ 1000）。使用 OR 就要承受这样 1000 倍的不便，这不仅是时间上的延迟，也是资金效率的降低。

我们先前描述过一个免信任的快速提款机制：想要立刻提款的用户需要给流动性提供商打一份链下资产的欠条，即签名了的条件支付交易，然后流动性提供商从自己的 “存钱罐” 智能合约中垫付这笔资金，在链上把欠条金额上的资金转给提款用户，整套操作需要的时间和区块链网络的转账时间差不多。流动性提供商会定期把累积的链下资产转移到链上的“存钱罐”中。

VP 和 OR 都能应用快速取款机制。但在 OR 系统中，流动性提供商需要在 “存钱罐” 中准备 1000 倍的资金，因为他们收到链下资产等待的时间窗口要长 1000 倍。这个 1000 倍的比例和 “存钱罐” 流动性算法中的各种假设都无关：无论是基于取款金额期望值，或 提款-存款差额，再或者是峰值流动性需求、平均撤款金额等等，OR 需要的储备金数量都是 VP 的 1000 倍。

然而，有时根本无法使用快速撤款。对于非同质化资产（或者是一些非主流同质化资产）就没法使用（或者应用的成本很高）：

• 非同质 Token（NFT）：正如早先由 Vitalik 介绍那样，如果一只名叫 Mitzi 的名贵 CryptoKitty 存在了链下，他的所有者没法要求在链上再收到一只 Mitzi ，因为世界上有且只有这一只叫 Mitzi 的 CryptoKitty。

• 隐蔽交易：Zerocash 风格的承诺（commitment）在某种程度上也是非同质化的。要想把隐蔽交易中的资金快速提到主链（主链上也应该保持隐蔽性），用户必须要向流动性提供商揭露承诺中的数据，破坏隐蔽性。

在这种快速撤款机制无法应用的场景下，用户只能选择等待标准撤款窗口结束，VP 则要比 OR 快 1000 倍。

可拓展性（链上）

在这一部分我们将对比不同的 rollup 系统，由于同类事物间的比较才有意义，因此我们只比较提供链上数据可用性的 rollup 系统，即：OR vs. STARK ZK-Rollup（StR）。虽然我们不想，但是所有在链上存储数据的 rollup 系统都将随着 rollup 交易的增多而线性增大消耗的资源量。链上数据包含一些 状态（例如交易细节）以及 见证数据（例如用来证明交易参与各方的数字签名）。OR 和 StR 的区别在于随着交易量的增加，前者的见证数据线性增长，而后者把这些见证替换成了一个证明，这个证明的大小只会多项式对数级别增长。划重点，对于足够大、足够多的批量交易，StR 的链上数据指纹要比 OR 小很多...

从细节出发：在 StR 中，见证数据能核实 rollup 运营者所进行的查验，因此一批计算只需要一则见证（例如一份 zk-proof），而不需要在每一份交易后面都附一份证明。更优秀的是，在现代 zkp 系统中，这个证明的大小是固定的（准确点来说，正如我们前文所提到，是多项式指数级别）。因此随着批量交易的增大，分摊到每一条交易头上的资源消耗反而减少。在 OR 中，每一条交易都必须附上一则见证，使验证人能核实交易的正确性。因此对于大批量的交易，并没有均摊减少的优势。更重要的是。OR 中的见证要比交易本身大很多：比方说 OR 见证需要包含所有用户的签名 1，而 VP 不需要（证明能核实它们已经在链下被验证过了）。在单纯的支付中，见证要比支付的数据量大 3 到 5 倍；而对于复杂的应用场景（比如说隐蔽交易），见证通常会比状态的数据大 10 倍以上，有时甚至更多。

总的来说，OR 明显要消耗更多的链上资源，也因此比 StR 更快地顶到拓展性天花板。

通用计算开支（STARKs 越用越好用）

人们常常拿 VP 和 OR 的通用计算开支做对比：即对于一个给定的链下计算任务，两种不同的系统额外需要做哪些工作？下文我们将围绕 StarkWare 的 STARK 展开，因为这是我们目前应用的 VP 框架。

OR：由于 100 个验证者互相监督基本上能够保证整个计算的正确性，因此当提到 OR ，验证者的数量都数以百计。到了验证阶段，每一个验证人都需要进行一遍计算任务，因此在 OR 中做通用计算的开支是原任务的 100 倍。

有必要说明，验证人集合越小或者越多预先指派的情况，验证人就越容易互相勾结，或者受到外界的贿赂、攻击。

STARK：由于验证过程的计算开支微不足道，它只需要一个实体 —— 证明者 —— 进行大量的计算。验证的计算开支有多微不足道呢？现在我们甚至可以用一台简单的智能手机对一大批计算结果做验证，因此可以忽略验证的计算消耗。人们常说证明者的计算开支是原有任务的 10000 倍，因为证明需要消耗大量的计算来生成。但实际上 StR 需要的计算开支仅仅是 100 倍，因此额外的计算开支和 OR 大致相当。之所以说 StR 的计算开支仅有 100 倍，是基于以下理由：

• 对于算数/几何运算操作，我们已经达到了少于 100 倍的计算开支。目前应用的 Pedersen 哈希函数仅仅比原来的操作增加了 20 倍计算消耗：即用 STARK 来证明一个 Pedersen 哈希值的正确性仅仅比直接计算 Pedersen 慢 20 倍。

• 对于那些像 SHA-256 那样众所周知计算开支很大的操作，我们正试着把那些函数换成对 STARK 友好的操作。我们目前受以太坊基金会的资助来进行这些研究，而且在 2020 年第一季度，许多密码学大牛会提交给我们他们的替代方案建议。估计对 STARK 友好的哈希函数在证明时仅比某些高效的哈希算法（例如 SHA-256）的直接计算慢 100 倍。

最后，很多人之所以称道 OR 是因为它能用到通用计算中，并且将支持 EVM 代码，而 VP 不具备这一特性。对于将 STARK 用到通用计算中，我们持乐观的态度。

感谢 Dan Robinson, John Adler 以及 Vitalik Buterin 对本文的反馈。

¹ BLS 通常被认为是一种高效的聚合签名机制。我们相信 BLS 不会只应用在这个用例中，因为它是整合多个签名到一则消息中的最佳方式。在 OR 的用例中，许多消息都需要由交易收/发方签名；而 BLS 签名的验证耗时 10ms/签名（每条消息进行一对操作），这不仅是验证人（链下）的负担，主链在判别欺诈时也需要处理这种消耗。

（完）