Содержание
1. Обеспечение безопасности вычислений с помощью экономики
Криптовалюты на основе консенсуса Накамото, такие как Bitcoin и Ethereum, предоставляют окончательный публичный реестр финансовых транзакций, известный как блокчейн. Эта технология консенсуса обеспечивает базовые транзакции Bitcoin, в то время как транзакции Ethereum выполняют более сложные вычислительные скрипты через смарт-контракты.
Анонимные майнеры определяют валидность транзакций без центрального органа, но целостность блокчейна зависит от минимальной нагрузки на верификацию. Несмотря на наличие самого мощного вычислительного ресурса в истории, Bitcoin и Ethereum предлагают не больше мощности верификации, чем типичный смартфон, из-за Дилеммы верификатора.
1.1 Аутсорсинг вычислений
Система обеспечивает безопасный аутсорсинг вычислений в сеть Ethereum, позволяя пользователям получать правильные ответы для сложных вычислений при сохранении безопасности блокчейна.
1.2 Практическое влияние
Непосредственные приложения включают децентрализованные пулы майнинга, управляемые смарт-контрактами Ethereum, криптовалюты с масштабируемой пропускной способностью транзакций и бездоверительный перевод валюты между несвязанными криптовалютными системами.
1.3 Смарт-контракты
Смарт-контракты Ethereum позволяют выполнять сложные финансовые и базовые операции, зависящие от оценки вычислительных скриптов, обеспечивая основу для верификационной системы TrueBit.
2. Как работает TrueBit
TrueBit состоит из слоя финансовых стимулов поверх слоя разрешения споров, который принимает форму универсальной "верификационной игры". Эта двухслойная архитектура обеспечивает масштабируемые вычисления на Ethereum при сохранении гарантий безопасности.
2.1 Свойства системы
Система обеспечивает целостность вычислений, активность и совместимость стимулов через тщательно разработанные экономические механизмы.
2.2 Предположения
TrueBit предполагает рациональных экономических субъектов и существование по крайней мере одного честного верификатора в системе для поддержания безопасности.
2.3 Модель атакующего
Протокол защищает от различных векторов атак, включая атаки Сибил, пулы сговора и экономические эксплуатации через сложные структуры стимулирования.
3. Слой разрешения споров
Ключевым нововведением TrueBit является верификационная игра, которая обеспечивает эффективное разрешение споров для вычислительных результатов.
3.1 Узкое место: Дилемма верификатора
Дилемма верификатора возникает, когда майнеры имеют недостаточно стимулов для проверки сложных вычислений, что потенциально позволяет невалидным транзакциям попадать в блокчейн. Это проявилось в форке Bitcoin 4 июля и атаках типа "отказ в обслуживании" на Ethereum в 2016 году.
3.2 Решение: Верификационная игра
Верификационная игра использует интерактивные системы доказательств и протоколы бисекции для эффективного обнаружения вычислительных ошибок при минимизации ресурсов в цепочке.
3.3 Детальный протокол
Протокол включает несколько раундов, где верификаторы оспаривают вычисления исполнителей, а споры разрешаются через пошаговую проверку выполнения.
3.4 Анализ времени выполнения и безопасности
Система достигает логарифмической сложности в разрешении споров относительно размера вычислений, что делает ее практичной для крупномасштабных вычислений.
4. Слой стимулирования
Экономический слой обеспечивает честное участие через тщательно откалиброванные вознаграждения и штрафы.
4.1 Джекпоты
Рандомизированные джекпоты предоставляют экономические стимулы для верификаторов активно участвовать в процессе верификации.
4.2 Налоги
Транзакционные налоги финансируют пул стимулирования и обеспечивают устойчивую работу экосистемы верификации.
4.3 Депозиты
Гарантийные депозиты от исполнителей и верификаторов создают экономические ставки, которые препятствуют злонамеренному поведению.
4.4 Создание принудительных ошибок
Система намеренно вводит принудительные ошибки для проверки бдительности верификаторов и обеспечения активного участия.
4.5 Выбор исполнителя и верификатора
Участники выбираются через механизмы случайной выборки, которые предотвращают манипулирование системой.
4.6 Обзор протокола
Полный протокол интегрирует разрешение споров с экономическими стимулами в целостную систему.
4.7 Проверка корректности
Множественные механизмы верификации обеспечивают целостность системы и предотвращают эксплуатацию.
5. Защитные механизмы
TrueBit включает сложные защиты от различных векторов атак.
5.1 Парные атаки Сибил
Система предотвращает атаки Сибил через экономические барьеры и механизмы проверки идентичности.
5.2 Трифекта
Три взаимодополняющих защитных механизма работают вместе для обеспечения надежных гарантий безопасности.
5.3 Пулы сговора
Экономические сдерживающие факторы и случайная выборка предотвращают сговор между участниками.
5.4 О легкой добыче
Система решает распространенные векторы атак, которые обычно эксплуатируют системы верификации.
5.5 Проблема эквивалентности денежных средств
Экономические механизмы обеспечивают соответствие стимулов безопасности системы.
6. Реализация
Реализация TrueBit включает Виртуальную Машину TrueBit и интеграцию со смарт-контрактами Ethereum для бесперебойной работы.
7. Приложения
Протокол обеспечивает множество практических приложений помимо базовой верификации вычислений.
7.1 Практический децентрализованный пул майнинга
Децентрализованные пулы майнинга, управляемые смарт-контрактами, устраняют центральные точки отказа.
7.2 Мост между Dogecoin и Ethereum
Бездоверительные мосты между криптовалютными системами обеспечивают беспрепятственный перевод стоимости.
7.3 Масштабируемая пропускная способность транзакций
TrueBit обеспечивает криптовалюты со значительно более высокой пропускной способностью транзакций.
7.4 В направлении системы больших данных
Архитектура поддерживает крупномасштабную обработку данных в сетях блокчейна.
Оригинальный анализ
TrueBit представляет значительный прогресс в масштабируемости блокчейна, решая фундаментальную Дилемму верификатора, которая ограничивала децентрализованные системы с момента их создания. Инновационная двухслойная архитектура протокола — сочетающая слой разрешения споров на основе интерактивных верификационных игр с экономическим слоем стимулирования — создает надежную основу для бездоверительных вычислений, которая сохраняет безопасность при значительном увеличении пропускной способности.
По сравнению с традиционными подходами к масштабированию блокчейна, такими как шардинг (как реализовано в Ethereum 2.0) или решения уровня 2, такие как Optimistic Rollups, TrueBit использует принципиально иной подход, фокусируясь на верификации вычислений, а не на оптимизации обработки транзакций. Это различие имеет решающее значение: в то время как решения, такие как zk-Rollups (как описано в основополагающей работе Бутерина и др.), полагаются на криптографические доказательства валидности, TrueBit использует экономические стимулы и теоретико-игровые механизмы для обеспечения корректности. Механизм принудительных ошибок протокола особенно гениален, поскольку он активно тестирует целостность системы верификации, подобно тому, как системы непрерывной интеграции тестируют надежность программного обеспечения в традиционных вычислениях.
Верификационная игра TrueBit имеет сходство с интерактивными системами доказательств в теоретической информатике, особенно с работой Голдвассера, Микали и Ракова по интерактивным доказательствам, но с ключевым дополнением экономических стимулов на основе блокчейна. Эта комбинация создает то, что авторы называют "консенсусным компьютером", способным выполнять произвольные вычисления с проверяемой корректностью. Безопасность системы основывается на предположении, что существует по крайней мере один честный верификатор — предположение, разделяемое со многими системами византийской отказоустойчивости, но реализованное здесь через новые экономические механизмы.
С точки зрения реализации, подход TrueBit к разрешению споров через пошаговую бисекцию является одновременно элегантным и эффективным, снижая сложность верификации с O(n) до O(log n) для вычислений размера n. Это логарифмическое масштабирование критически важно для практических приложений, поскольку оно позволяет верифицировать крупные вычисления без запретительных затрат. Дизайн протокола демонстрирует глубокое понимание как основ информатики, так и экономической теории игр, создавая систему, которая является одновременно технически обоснованной и экономически устойчивой.
В перспективе архитектура TrueBit имеет последствия, выходящие за рамки вычислений в блокчейне. Основные принципы могут быть применены к распределенным системам в более широком смысле, особенно в сценариях, где требуется бездоверительная верификация вычислительных результатов. Как отмечено в исследованиях Фонда Ethereum по масштабированию уровня 2, решения, подобные TrueBit, представляют важное направление для масштабируемости блокчейна, которое дополняет, а не конкурирует с другими подходами.
Технические детали
Математическая основа
Верификационная игра использует интерактивные системы доказательств со следующими свойствами:
- Полнота: Если утверждение истинно, честный верификатор будет убежден
- Корректность: Если ложно, никакой доказывающий не может убедить честного верификатора, за исключением малой вероятности
Разрешение споров использует протокол бисекции со сложностью $O(\\log n)$, где $n$ — размер вычисления:
$$T_{verify} = O(\\log n) \\cdot T_{step}$$
Механизм стимулирования обеспечивает экономическую безопасность через:
$$E[reward_{honest}] > E[reward_{malicious}] + cost_{attack}$$
Архитектура системы
Виртуальная Машина TrueBit (TVM) выполняет вычисления в детерминированной среде, совместимой с EVM Ethereum, но оптимизированной для верификационных игр.
Экспериментальные результаты
Метрики производительности
Время верификации
Логарифмическое масштабирование с размером вычисления
Гарантии безопасности
Экономическая безопасность через стимулы
Увеличение пропускной способности
По сравнению с нативным Ethereum
Технические диаграммы
Поток верификационной игры: Протокол включает несколько раундов вызов-ответ между исполнителями и верификаторами, с спорами, разрешаемыми через бинарный поиск до идентификации ошибочного шага вычисления. Каждый раунд уменьшает размер проблемы вдвое, обеспечивая эффективное разрешение.
Структура экономических стимулов: Система поддерживает баланс между вознаграждениями исполнителей, стимулами верификаторов и гарантийными депозитами для обеспечения честного участия при предотвращении различных векторов атак.
Примеры кода
Создание задачи в TrueBit
// Исполнитель отправляет задачу
function submitTask(bytes memory code, bytes memory input) public payable {
require(msg.value >= MIN_DEPOSIT);
Task memory newTask = Task({
solver: msg.sender,
code: code,
input: input,
deposit: msg.value,
status: TaskStatus.Pending
});
tasks[taskCounter] = newTask;
emit TaskSubmitted(taskCounter, msg.sender);
taskCounter++;
}
// Верификатор оспаривает результат
function challengeResult(uint taskId, bytes memory claimedOutput) public {
require(tasks[taskId].status == TaskStatus.Pending);
challenges[taskId] = Challenge({
verifier: msg.sender,
claimedOutput: claimedOutput,
round: 0
});
initiateVerificationGame(taskId);
}Протокол верификационной игры
// Протокол бисекции для разрешения споров
function performBisection(uint taskId, uint step) public {
Challenge storage challenge = challenges[taskId];
// Выполнение одного шага и предоставление доказательства Меркла
(bytes32 stateHash, bytes32 proof) = executeStep(
tasks[taskId].code,
tasks[taskId].input,
step
);
// Отправка выполнения шага для верификации
emit StepExecuted(taskId, step, stateHash, proof);
// Продолжение бисекции до определения ошибки
if (challenge.round < MAX_ROUNDS) {
challenge.round++;
} else {
resolveFinalStep(taskId, step);
}
}Будущие приложения
Краткосрочные приложения (1-2 года)
- Децентрализованные облачные вычисления: Бездоверительное выполнение сложных вычислений
- Межцепочные мосты: Безопасный перевод активов между сетями блокчейна
- Масштабируемый DeFi: Сложные финансовые инструменты на блокчейне
Среднесрочные приложения (3-5 лет)
- Верификация моделей ИИ: Бездоверительное выполнение и проверка моделей машинного обучения
- Научные вычисления: Воспроизводимые исследования через проверяемые вычисления
- Корпоративный блокчейн: Масштабируемые решения для частных блокчейнов
Долгосрочное видение (5+ лет)
- Мировой компьютер: По-настоящему децентрализованная глобальная вычислительная платформа
- Проверяемые интернет-сервисы: Бездоверительные веб-сервисы с гарантированным выполнением
- Автономные организации: Сложные DAO с проверяемыми операциями
Ссылки
- Teutsch, J., & Reitwießner, C. (2017). A scalable verification solution for blockchains. arXiv:1908.04756
- Buterin, V., et al. (2021). Combining GHOST and Casper. Ethereum Foundation.
- Goldwasser, S., Micali, S., & Rackoff, C. (1989). The knowledge complexity of interactive proof systems. SIAM Journal on computing.
- Ethereum Foundation. (2020). Ethereum 2.0 Phase 1--Shard Chains.
- Luu, L., et al. (2016). A secure sharding protocol for open blockchains. ACM CCS.
- Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized anonymous payments from bitcoin. IEEE Security & Privacy.
- Szabo, N. (1997). Formalizing and securing relationships on public networks. First Monday.
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system.
- Wood, G. (2014). Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger.
- Buterin, V. (2013). Ethereum white paper: A next-generation smart contract and decentralized application platform.