科普 | Casper FFG 的可審計安全性和近似活性_區塊鏈

作者:AdityaAsgaonkar

翻譯&校對:IANLIU&阿劍

來源：以太坊愛好者

感謝CarlBeekhuizen的審閱。

區塊鏈需要向用戶提供兩種保障——1）區塊的確定性和2）.區塊鏈的活性——區塊鏈的底層共識機制就負責提供這兩種保障。以太坊2.0中，共識過程只在信標鏈上發生，并使用CasperFriendlyFinalityGadget(FFG)機制來幫助達成共識。本篇文章旨在描述基本的FFG機制，并證明它能提供上述兩種保障。

CasperFFG是一種“確定性工具”，這意味著CasperFFG規范了區塊的確定性規則，并能在事件發生之后檢查區塊的確定性。FFG機制與鏈的增長脫鉤，可以作為獨立組件附加在任意可用的區塊鏈協議上來提供區塊確定性。因為CasperFFG機制沒有能夠保證區塊鏈活性的策略，因此從這個角度來看，它并不算是完全成熟的共識協議。讓我們先從CasperFFG的結構開始，然后深入CasperFFG機制的規則，最終了解它提供的安全性&活性保證。

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

投票

驗證者通過提交見證消息”）來對鏈上的區塊投票。投票的格式為，包含兩部分信息：來源區塊目標區塊——目標區塊必須是S的派生區塊具體來說，投票所包含的信息包括驗證者的數字簽名、用于確認區塊的區塊哈希和塊高。

合理化與確定性達成

合理化與確定性達成是CasperFFG共識過程的兩個階段，可以和傳統拜占庭容錯共識的“prepare”和“commit”階段做橫向對比。

聲音 | 浪潮集團云南分公司總經理：云南區塊鏈產業發展需從“科普”到“專精”不斷深化:據昆明日報消息，浪潮集團云南分公司總經理鄭昕表示，云南區塊鏈產業發展需從“科普”到“專精”不斷深化。下一步，浪潮將繼續加大云南農業產業高質量發展體系建設力度，重點以普洱茶等云南優勢產業為切入點，打造云南“綠色、有機農產品高地”的品牌形象，并在此基礎上，開展基于區塊鏈的供應鏈金融服務，解決中小企業貸款難、貸款貴問題。[2019/11/11]

-因具備2/3以上的驗證者投票，區塊A&區塊B得到合理化-

合理化：只要某區塊B滿足下列條件，則該塊就被合理化：

區塊B是創世區塊，或

超過2/3以上的驗證者將選票投給(A,B)，其中B是A的后代區塊，且A在此前已被合理化。

動態 | 人民日報官方微博科普區塊鏈 強調區塊鏈不等于比特幣:人民日報官方微博今早發表9圖科普區塊鏈。其中涉及區塊鏈的特點有：1、安全；2、不可篡改；3、可訪問；4、無第三方。區塊鏈對未來的影響：1、不需繁瑣個人證明；2、看病避免反復檢查；3、旅行消費更加便捷；4、交易無需第三方。同時強調，區塊鏈不等于比特幣。比特幣只是區塊鏈技術的一種應用，區塊鏈還有醫療衛生、食品安全、版權保護等諸多應用領域。[2019/10/28]

確定性：只要區塊B滿足以下條件，即獲得確定性：

區塊B是創世區塊，或

B已滿足合理性，且有超過2/3的驗證者選票投給(B,C)，其中C是B的直系子塊。

注意：關于確定性的定義，在以太坊2.0中CasperFFG有更一般化的定義，詳見此文。使用上文這種表述是為了保證通俗易懂。

CasperFFG規則

CasperFFG只有兩條簡單的限制規則，應用這兩個規則就能防止驗證者同時給(S1,T1)和(S2,T2)投票：

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

區塊高度(T1)=區塊高度(T2)，或

區塊高度(S1)<區塊高度(S2)<區塊高度(T2)<區塊高度(T1)

-CasperFFG規則違反情況一：區塊高度(T1)=區塊高度(T2)-

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

-CasperFFG規則違反情況二：區塊高度(S1)<區塊高度(S2)<區塊高度(T2)<區塊高度(T1)-

安全性&活性

CasperFFG的設計目的，是提供共識安全性和針對區塊敲定過程的活性。講得具體點，CasperFFG提供以下保證：

可追責的安全性：如果兩個相互沖突的區塊都達成了確定性，則至少有1/3的驗證者違反CasperFFG規則，而CasperFFG可以識別出這些驗證者。

近似活性：無論協議運行處于什么狀態，驗證者都能繼續履行職責、能在不違反CasperFFG規則的前提下敲定新區塊。

盡管和傳統的BFT文獻相比，這里提到的安全性和活性定義不是那么規范，但這種詮釋是非常適合用于分析區塊鏈的確定性工具的！

事實上，熟悉BFT文獻的人可能會覺得“近似活性”的概念簡直異想天開；不過因為CasperFFG只是“確定性工具”，整個機制只要確保誠實的驗證者能在不違反FFG規則的情況下推動推進協議，而不會被卡在任何一個環節，即可。

至于可追責安全性的定義，我們的重點是可追責性，然后這部分信息能夠被權益證明機制沿用、用于在區塊鏈上處罰惡意驗證者。最終目的還是為權益證明機制提供信息，使后者的激勵機制能生效，促使共識過程形成協議一開始設想的均衡狀態。

安全性證明

假設兩個相互沖突的區塊A和B都被敲定了，那么可能有兩種情況：

區塊高度(A)=區塊高度(B)

因為A和B在得到確定性之前先要獲得合理性，則它們

各自都要收到至少2/3的驗證者投票，這意味著一旦它倆都達到要求，則至少有1/3的驗證者違反了CasperFFG規則。

區塊高度(A)<區塊高度(B)

為了讓A達成確定性，需要超過2/3以上的驗證者將選票投給(A,C)，其中C是A的子塊。

為了讓B達成合理性，則在B之前必須存在連續升序的區塊，且每個區塊都已經被它的后一區塊合理化。假設區塊B_m是這串連續區塊中的首塊，區塊高度(A)<區塊高度(B_m)。

注意，這串連續的區塊不存在與區塊A或C相同的塊高，不然就變成了上一種情形。

現在假設我們將票投給(B_n,B_m)(其中n=m-1)，使得B_m獲得合理性。則因為區塊高度(B_m)、區塊高度(B_m)皆

不等于區塊高度(A)/區塊高度(C)，因此情況一定是區塊高度(B_n)<區塊高度(A)<區塊高度(C)<區塊高度(B_m)。

這樣一來我們就能說——至少有2/3的驗證者違反了CasperFFG規則二。

-安全性證明，情況：區塊高度(A)<區塊高度(B)-

而且只要確認票證集合、找出沖突選票、檢查驗證者簽名，就能輕易揪出違反CasperFFG規則的驗證者。

活性證明

假設P_0是最新的合理區塊，Q是曾得到過驗證者投票的最新區塊。

接下來，任何屬于P_0子塊的區塊P_1都能在不違反FFG規則的情況下收到2/3驗證者的的投票(P_0,P_1)，進而取得合理性。

P_1也能在不違反FFG規則的情況下收到2/3驗證者的的投票(P_1,P_2)，進而獲得確定性，其中P_2是P_1的子塊。

因此，至少有一組驗證者能夠敲定新塊。

進階閱讀材料

CasperFFG初版論文——?CaspertheFriendlyFinalityGadget

對Eth2.0應用CasperFFG方法的分析——?CombiningGHOSTandCasper

原文鏈接:?https://www.adiasg.me/2020/03/31/casper-ffg-explainer.html

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