TrueBit：区块链可扩展验证解决方案

目录

1. 基于经济学的计算安全保障

基于中本聪共识的加密货币（如比特币和以太坊）提供了被称为区块链的确定性公共交易账本。这项共识技术既支持基本的比特币交易，又让以太坊交易能够通过智能合约执行更复杂的计算脚本。

匿名矿工在没有中央权威的情况下确定交易有效性，但区块链的完整性依赖于最小的验证负担。尽管拥有历史上最强大的计算资源，由于验证者困境的存在，比特币和以太坊提供的验证能力并不比普通智能手机更强。

1.1 外包计算

该系统支持向以太坊网络进行安全的外包计算，使用户能够获得复杂计算的正确答案，同时保持区块链安全性。

1.2 实际影响

直接应用包括由以太坊智能合约运营的去中心化矿池、具有可扩展交易吞吐量的加密货币，以及不相交加密货币系统之间的免信任货币转移。

1.3 智能合约

以太坊智能合约支持基于计算脚本评估的复杂金融和数据库操作，为TrueBit的验证系统奠定了基础。

2. TrueBit工作原理

TrueBit由一个激励层和一个争议解决层组成，后者采用多功能的"验证游戏"形式。这种双层架构能够在保持安全保证的同时，在以太坊上实现可扩展计算。

2.1 系统特性

通过精心设计的经济机制，系统提供计算完整性、活跃性和激励兼容性。

2.2 基本假设

TrueBit假设存在理性的经济参与者，并且系统中至少存在一个诚实验证者以维持安全性。

2.3 攻击者模型

协议通过复杂的激励结构防御各种攻击向量，包括女巫攻击、合谋池和经济利用。

3. 争议解决层

TrueBit的核心创新是验证游戏，它能够高效解决计算结果的争议。

3.1 瓶颈：验证者困境

当矿工缺乏验证复杂计算的足够激励时，就会出现验证者困境，可能导致无效交易进入区块链。这种情况在7月4日比特币分叉和以太坊2016年拒绝服务攻击中都有体现。

3.2 解决方案：验证游戏

验证游戏使用交互式证明系统和二分协议来高效定位计算错误，同时最小化链上资源消耗。

3.3 详细协议

协议涉及多轮验证者挑战求解者计算的过程，争议通过逐步执行验证来解决。

3.4 运行时间与安全性分析

系统在争议解决方面实现了相对于计算大小的对数复杂度，使其适用于大规模计算。

4. 激励层

经济层通过精心校准的奖励和惩罚确保诚实参与。

4.1 大奖机制

随机化的大奖奖励为验证者积极参与验证过程提供经济激励。

4.2 交易税

交易税为激励池提供资金，确保验证生态系统的可持续运行。

4.3 保证金

来自求解者和验证者的安全保证金创造了经济利害关系，阻止恶意行为。

4.4 生成强制错误

系统有意引入强制错误，以测试验证者的警惕性并确保积极参与。

4.5 求解者与验证者选举

通过随机抽样机制选择参与者，防止系统被操纵。

4.6 协议概览

完整协议将争议解决与经济激励整合为一个连贯的系统。

4.7 完整性检查

多重验证机制确保系统完整性并防止利用。

5. 防御机制

TrueBit包含针对各种攻击向量的复杂防御措施。

5.1 成对女巫攻击

系统通过经济障碍和身份验证机制防止女巫攻击。

5.2 三重防御

三种互补的防御机制协同工作，提供强大的安全保证。

5.3 合谋池

经济抑制和随机抽样防止参与者之间的合谋。

5.4 低垂果实问题

系统解决了通常利用验证系统的常见攻击向量。

5.5 现金等价物问题

经济机制确保激励与系统安全保持一致。

6. 实现方案

TrueBit实现包括TrueBit虚拟机和与以太坊智能合约的集成，以实现无缝操作。

7. 应用场景

该协议支持众多超越基本计算验证的实际应用。

7.1 实用去中心化矿池

由智能合约运营的去中心化矿池消除了中心故障点。

7.2 Dogecoin-以太坊桥接

加密货币系统之间的免信任桥接实现无缝价值转移。

7.3 可扩展交易吞吐量

TrueBit支持具有显著更高交易容量的加密货币。

7.4 迈向大数据系统

该架构支持区块链网络上的大规模数据处理。

原创分析

技术细节

实验结果

代码示例

// 求解者提交任务
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++;
}

// 验证者挑战结果
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);
}

// 用于争议解决的二分协议
function performBisection(uint taskId, uint step) public {
    Challenge storage challenge = challenges[taskId];
    
    // 执行单步并提供Merkle证明
    (bytes32 stateHash, bytes32 proof) = executeStep(
        tasks[taskId].code, 
        tasks[taskId].input, 
        step
    );
    
    // 提交步骤执行以供验证
    emit StepExecuted(taskId, step, stateHash, proof);
    
    // 继续二分直到定位错误
    if (challenge.round < MAX_ROUNDS) {
        challenge.round++;
    } else {
        resolveFinalStep(taskId, step);
    }
}

未来应用

参考文献