区块链的信任模型：全节点如何让区块生产者承担责任-煤油灯科技

区块链的信任模型：全节点如何让区块生产者承担责任

煤油灯科技2022-09-10 10:26

区块链是一种全新的计算模型，其中数据和应用程序不是由集中式中介机构而是由分散的计算机网络保护的。由于其无需许可的性质，区块链使任何人都可以选择加入并开始独立验证计算的完整性，从而在用户和网络运营商之间形成一个制衡系统。

从创建具有程序化货币政策的新数字货币（例如比特币）到执行可编程信任最小化应用程序（例如以太坊），区块链作为一种新的数字基础设施形式（通常称为Web3）正迅速进入公众意识。然而，尽管区块链的总体价值主张被许多人认可，但关于区块链底层信任模型的细微差别往往被误解。

本文将通过观察自验证全节点的作用来解释区块链的信任模型与传统计算的不同之处，特别是它们如何让区块生产者（例如矿工/验证者）承担责任，以及如何降低区块链的成本。验证是区块链可扩展性的核心。

传统计算模型的局限性

当今大多数应用程序使用的计算模型涉及客户端-服务器模型，其中请求被发送到中央数据库服务器。传统计算模型中的参与者可以分为以下几类：

客户端：通常通过个人设备生成请求的最终用户，这些请求通过 Internet 通过 TCP/IP 发送到中央数据库服务器并等待响应。客户端信任数据库服务器忠实地响应请求。
数据库服务器：远程计算机，通常以集中式云提供商的形式提供信息或对特定服务的访问。后端数据库服务器通常是传统机构集中管理的计算机集合。

在传统的计算模型中，用户必须信任一个不透明的集中式数据库。

这种计算模型通常被称为“Web2”，使开发人员能够按需快速启动和扩展应用程序。由于数据中心促进的低延迟和高吞吐量计算，还为用户提供了无缝的用户体验。虽然托管在集中式数据库上的应用程序为全球数十亿用户提供了巨大的价值，但它们具有一定的局限性。

最值得注意的是，最终用户无法验证产生对请求的响应所涉及的计算是否合法，或者数据库条目是否随着时间的推移未被操纵。此类应用程序有效地在黑匣子中运行，这意味着用户必须完全相信第三方中间商会为他们的最大利益行事。

与集中托管应用程序相关的信任假设可能会对用户产生负面影响，他们可能会经历财务审查、社交媒体去平台化、个人数据泄露、操纵内容选择算法、对账成本增加、数据损坏和数据丢失以及总体缺乏问责制 . 最终结果是社会信任的崩溃和经济协调成本的增加。

区块链计算模型

区块链不是信任中心化中介的善意，而是通过以下方式引入信任最小化和可信中立：

密码学来验证数据/资产所有权并验证交易完整性；
去中心化共识以建立交易顺序并执行协议规则；
财务激励措施，以确保网络账本的不变性及其持续运行。

重要的是，区块链是开放的网络——世界上的任何人都可以作为积极的贡献者或被动的听众加入。这允许最终用户自己验证网络产生的任何输出都是有效的，并且账本条目没有被篡改。区块链的透明度还降低了不透明度带来的风险，消除了信息不对称，并确保所有参与者都可以获得有关风险敞口的信息。

在区块链计算模型中，最终用户可以选择加入网络并验证正在执行的计算。

区块链参与者的不同角色为了确保区块链的正常运行，有各种（通常是重叠的）网络参与者类别，每个类别都起着至关重要的作用。

区块生产者 (BP)：负责将交易排序和打包成离散数据结构的实体，称为区块，然后将其提交给网络进行验证。如果在相同的块高度产生两个有效块，则BP负责确定哪个版本的链是规范的（例如最长链规则）。共识算法用于确定哪个BP负责生成块链中的下一个块，工作证明（矿工）和权益证明（验证者）是两种最流行的模型。
全节点：区块链网络的核心。全节点下载并自我验证BP提出的每个区块。如果发现该块是有效的（即已遵循协议规则），则将该块添加到完整节点的分类帐个人副本中，并应用状态更改。任何不符合协议规则的无效块都将被忽略并因此被丢弃，而不会发生任何状态更改。
存档节点：存储与完整节点相同的所有信息但也计算和存储区块链先前状态的实体。存档节点可用于查询任意历史数据，例如用户在过去特定区块高度的账户余额。请注意，可以随时将完整节点转换为存档节点，而无需从网络下载任何额外信息。存档节点通常具有较高的硬件要求，并且通常由服务提供商（例如区块浏览器）运行。
轻客户端：全节点的有限形式，仅下载块的标头（即小的唯一加密指纹）。轻客户端可以验证交易是否包含在一个区块中，但由于他们不会下载或执行区块内的所有交易，因此他们隐含地相信大多数区块生产者都是诚实的。轻客户端，也称为简单支付验证 (SPV) 客户端，最初是在原始比特币白皮书中描述的。
RPC提供者：促进对其他网络参与者连接到的区块链的读/写访问的完整节点。RPC（远程过程调用）节点经常被那些没有或不能运行自己的完整节点或轻客户端的人使用，显着减少了访问区块链的摩擦。任何连接到RPC提供者的用户都隐含地信任提供者的诚实，因为没有进行自我验证工作。
最终用户：希望在区块链网络上进行交易的普通用户。此类别可以包括运行完整节点或轻客户端的参与者，以及连接到RPC提供者的参与者。区块链的存在是为了服务于最终用户，否则网络就没有其他理由存在了。
虽然这些网络参与者中的每一个都在区块链生态系统中发挥着关键作用，但完整节点在区块链网络的核心运行，因为它们是负责维护网络分类帐的完整副本的实体。其他网络参与者，例如区块生产者和轻客户端，连接到完整节点以随时了解网络状态。生成的网络拓扑如下图所示。

区块链网络的拓扑结构，轻客户端和BP连接到完整节点。

区块生产者的有限权力

关于区块链的一个常见误解是，由于区块生产者负责生成包含交易的新区块，因此他们必须单方面控制区块链。换句话说，如果大多数BP被破坏/勾结（通常称为51%攻击），那么网络就会完全受损，所有有价值的东西都可能被不可挽回地摧毁。实际上，BP的权力范围有限，只能发生特定类型的恶意活动。

区块生产者可以做什么：

审查交易：各个BP确定他们创建的区块中包含哪些交易，从而允许他们有选择地忽略特定交易。虽然勾结的 BP 可以阻止交易被包含在他们创建的区块中，但只需要一个诚实的 BP 就可以将交易包含在有效区块中。
重写链：如果大多数BP串通（例如51%攻击），则可以通过称为块重组（reorg）的过程将先前创建的有效块从网络分叉出来，其中新的块链成为规范链。请注意，一些区块链通过检查点系统具有“经济终结性”的概念，重组比检查点更早的块会导致链停止，这需要通过社会共识来解决。

块重组使用一组新的有效块恢复先前接受的有效块。

区块生产者不能做的事情：

更改协议规则：BP不能随意更改协议规则，例如添加/删除功能（例如操作码）、增加/减少最大允许的块大小或块时间间隔、或增加/减少为生产区块而发放的区块奖励。
窃取用户资金：BP不能从他们没有私钥的地址花费硬币/代币，因为此类交易的加密签名将无效。请注意，虽然链重组可能导致双花攻击，但这仅涉及从链的分类帐中删除由私钥持有者签名的交易，而不是伪造交易签名。

要理解为什么BP的权力在本质上是有限的，重要的是要理解BP和自验证全节点之间的关系。

全节点如何让区块生产者承担责任

虽然BP通过提出新区块来确保区块链的活跃性，但他们并不代表网络确定区块的有效性。相反，完整节点（存储区块链分类账的个人副本）的作用是独立验证每个块并执行其中包含的所有交易，以确定是否遵循协议的规则。

结果是一个制衡系统，其中全节点通过仅接受有效块并忽略不符合协议规则的块来对BP负责。因此，BP在经济上受到激励，只生产有效区块，否则他们将通过生产无效区块来浪费经济资源，并丧失他们本可以赚取的任何区块奖励和交易费用。即使其他BP在无效块之上构建有效块，这些块也会被全节点忽略，从而导致这些BP有效地将自己从网络中分叉。

全节点由区块链生态系统中的关键经济参与者运营，包括加密货币交易所、稳定币发行者、预言机、第2层验证者、RPC提供商、托管钱包提供商、大型加密资产持有者和普通用户等。通过自我验证区块链的账本，这些关键经济参与者不会被诱骗接受无效区块。全节点也不需要相互协调/通信来确定一个块是否有效。相反，通过在检查区块时遵循协议的规则，他们都会在区块有效性方面得出相同的结论。

无效块被继续遵循有效块链的完整节点拒绝。

对于许多区块链，协议规则是由链下社区在称为社会共识的过程中确定的。这通常涉及一个正式的过程（例如以太坊改进提案或EIP），社区在各种社交渠道上讨论任何协议规则更改的优点。一旦达成粗略的链下共识，区块链核心开发人员将编写一个新版本的区块链软件客户端，以实现这些更改。然后，全节点和BP可以选择是否运行这个新软件以通过硬分叉（非向后兼容更改）或软分叉（向后兼容更改）来升级网络。

如果硬分叉升级存在争议，那么网络可能会经历链分裂，其中创建和单独维护两个不同版本的区块链。一旦发生分裂，每个区块链将有一个从创世块到分裂发生的特定块高度的共享历史。这在2017年的比特币/比特币现金硬分叉中得到了体现，当时在如何扩展交易吞吐量方面出现了分歧。在2016年的Ethereum/Ethereum Classic硬分叉中也出现了这种情况，当时在如何处理DAO hack上出现了分歧。

比特币现金是比特币区块链的一个分支，它是围绕如何扩展交易吞吐量的差异而产生的。（来源）

与链下共识相比，其他区块链选择通过链上治理来处理升级，由代币持有者管理的去中心化自治组织（DAO）决定协议规则的变化。促进协议升级的任何一种方法都有其独特的优势和挑战，并且使用的方法取决于社区的需求。

全节点的低硬件要求

如果运行全节点的硬件要求太高（例如需要非消费类硬件），那么能够或愿意运行全节点的实体将更少，而是依靠集中式解决方案来运行读/写到区块链。这可能导致区块链网络更容易受到BP的利用。

为了支持健康的全节点网络，许多区块链故意将网络的交易吞吐量限制在社区希望自我验证账本的最低规格计算机的吞吐量。低硬件要求不仅可以帮助那些希望在正常操作期间运行完整节点的人，而且如果区块链正受到一群BP的积极攻击，也可以更容易地启动一个新的自我验证的完整节点。与网络保持完全同步所需的确切硬件要求因区块链而异，但是，一个共同的目标是普通消费者硬件。

在低规格微型计算机Raspberry Pi上运行的比特币全节点示例。（来源）

以下逻辑描述了低硬件要求如何导致区块链的核心价值主张：

低硬件要求→低成本验证区块→更多实体可以运行完整节点→更强的抗BP攻击→提高网络安全性→卓越的可信中立性 → 增加采用率

虽然能够运行完整节点的最低硬件要求没有在区块链协议的规则中明确定义（硬件/软件效率的提高一直在发生），但区块链的交易吞吐量规则（通常由大小和块的频率决定）被调整以针对特定范围的设备规格。

尽管针对普通消费者硬件是一种常见的方法，但一些区块链选择将更强大的服务器级硬件作为验证的最低硬件要求，以提高交易吞吐量。随之而来的是承认，虽然更少的实体可能能够使用自托管设备对账本进行自我验证，但足够数量的关键经济参与者可能仍然拥有运行完整节点所需的资源。

降低区块链验证的成本

世界上每个人都运行自己的完整节点来自我验证区块链是一个理想主义的目标。然而，在实践中，启动一个完整节点所需的时间和资源可能会给许多最终用户带来太多的摩擦。随着区块链被更广泛地采用，熟悉信任中心化服务提供商的用户可能会发现设置全节点的过程过于繁琐，并且希望能够立即开始与链上应用程序交互。

因此，当今广泛使用的区块链的大多数最终用户并不运行自己的完整节点，而是连接并隐式信任RPC提供者将交易中继到网络并通知他们区块链的当前状态。这样的用户可能无法享受区块链的全部自我验证优势，并且网络的安全性并不强，但是，与传统计算模型相比，信任最小化仍然是一个数量级的改进。

今天的许多最终用户不运行完整节点，而是连接到并信任RPC提供程序。（来源）

这个问题的中间解决方案可能需要将轻客户端集成到区块链钱包中。虽然这将通过减少对RPC提供者的信任来改善现状，但轻客户端仍然隐含地相信大多数BP正在生成有效的块，并且块中的所有交易数据都已公开可用。为了让轻客户端在不简单地下载和执行整个区块（即运行一个完整节点）的情况下验证BP的工作，轻客户端实现的技术改进可以增加它们的信任最小化属性，从而产生可以被认为是“信任- 最小化轻客户端”。这些技术改进可以包括：

欺诈证明：由完整节点生成的加密证明，可以发送给轻客户端以证明一个块是无效的并且违反了协议的规则，而轻客户端不需要重新执行整个块。
有效性证明：生成零知识证明的欺诈证明的替代方案，允许区块生产者直接向轻客户端证明区块是有效的并遵守协议规则。
数据可用性采样 (DAS)：一种概率采样技术，可验证块中的所有数据是否已可供网络使用，而轻客户端无需下载整个块。

信任最小化的轻客户端无需下载或执行整个区块即可验证区块生产者的工作。（来源）

随着额外的信任最小化技术在生产中成功创建和部署，在不下载和执行整个块的情况下验证块生产者的工作的成本和摩擦得到改善，从而导致更安全的区块链网络。值得注意的是，创建信任最小化的轻客户端的方法甚至可以使更具可扩展性的区块链网络出现。

在保留自我验证的同时扩展区块链扩展区块链通常被认为等同于增加交易吞吐量。然而，更全面的解释是增加交易吞吐量，同时保持较低的验证成本。由于信任最小化轻客户端的特性，区块链网络的吞吐量可以增加（例如增加块大小和/或块间隔时间），但仍然保持保持BP负责所需的低验证成本。

此外，第2层扩展解决方案（如汇总）利用与信任最小化轻客户端类似的技术，通过使用加密证明来证明交易有效性，而无需区块链网络执行每笔交易。在这种情况下，区块链为第2层汇总运行一个供奉的信任最小化轻客户端。结合交易批处理和链上交易数据存储以实现数据可用性，交易吞吐量可以增加多个数量级，而对底层区块链施加的额外验证成本最低甚至没有。