為什么Polkadot的GRANDPA協議不夠安全？_POL

本文將討論Polkadot為解決拜占庭容錯問題而提出的共識協議——GRANDPA協議。在本文中，我們默認讀者已經熟悉拜占庭容錯問題，所以我們將直接介紹Polkadot的GRANDPA協議是如何解決拜占庭容錯問題的。首先，我們將簡潔明了地介紹GRANDPA協議的主要內容。然后，我們將討論可能導致GRANDPA協議失效的攻擊方式。最后，我們會就如何解決上述安全漏洞，提出可能的解決方法。

概率確定性與可證明確定性

經由Casper FFG（Friendly Finality Gadget）協議啟發，GRANDPA是一種新的、拜占庭容錯的(BFT)、確定性工具的（Finality Gadget）共識協議。確定性工具（Finality Gadget）是一套經由一定提議機制而最終確定一條區塊鏈上內容的機制。由“確定性工具”最終確認的鏈上內容，具有最終性，即不可逆。

市場分析：美聯儲不加息，投資者可能更慌:3月18日消息，道富環球投資管理(SSgA)的首席經濟學家Simona Mocuta稱，如果美聯儲下周不加息，投資者可能會更加恐慌，他們會立即開始猜測美聯儲等監管機構是否在隱藏什么，在這個混亂的時刻，繼續加息能給人一種政策連續的感覺。這有點像一個穩定市場的錨，決策者在這樣的時刻應該這么做。(金十)[2023/3/18 13:11:58]

正如Polkadot Wiki上所說：“那種運行純粹中本聰式POW共識協議的區塊鏈，只能達到概率確定性并完成最終共識。”與之相對，像GRANDPA或Casper FFG之類擁有確定性工具機制的協議，則可以為我們提供更強大的保證，稱為可證明確定性。GRANDPA的確定性工具機制帶來的可證明確定性，保證了經過一定共識機制運作之后，那些被最終確認的區塊里的內容將永不可逆。

Gemini聯創：下一輪牛市將從東方開始:金色財經報道，Gemini加密交易所聯合創始人Cameron Winklevoss在社交媒體發文稱，下一輪牛市將從東方開始，這將是一個令人謙卑的提醒，加密貨幣是一種全球資產類別，而西方，實際上是美國，只有兩個選擇，要么接受、要么被拋在后面。任何不提供明確規則和真誠指導的政府都將被淘汰，否則將錯過自商業互聯網興起以來最偉大的增長時期，也將錯過塑造和成為這個世界（及以后）未來金融基礎設施的基礎部分的機會。[2023/2/20 12:18:08]

Polkadot的GRANDPA

Polkadot，是通過一個提名權益證明（NPoS）系統，將BABE用作其區塊生成機制的（BABE，即著名的Blind Assignment for Blockchain Extension，即區塊鏈擴展盲分配）。這個系統使用提名權益證明機制（NPoS），顧名思義，這個系統會通過一個提名過程選出驗證者。在這個區塊鏈系統中，為了從一個普通的參與者變成一個提名者，參與者需要先將其代幣作為抵押品。這之后，這個升級為提名者的參與者，就可以提名他/她認可的節點作為驗證者了。當被他/她提名的驗證者偏離協議，他/她抵押的權益就將被削減，作為懲罰；相反，當被他/她提名的驗證者遵守協議時，他/她也會獲得報酬，作為獎勵。另外值得一提的是，在這個區塊鏈系統中，當選了的驗證者在共識協議中的投票權是同等的。

Blockchain.com出售資產以填補對三箭資本2.7億美元的敞口:金色財經報道，Blockchain.com一直在試圖出售資產以填補對三箭資本(Three Arrows Capital：3AC)2.7億美元的敞口，發言人表示，其風險投資部門BlockchainVentures最近出售了PolySign 80%的股份，Blockchain.com在2021年參與了這家基礎設施初創公司5300萬美元的B輪融資。據消息人士透露，該公司還在積極尋求籌集更多資金，即使估值大幅降低，并且希望提供債務認股權證。

Blockchain.com曾向三箭資本借出2.7億美元的現金和加密貨幣，這家加密對沖基金在Terra生態系統崩潰后于去年7月申請破產。Blockchain.com在2022年7月裁員150人，并在今年1月再次裁員110人。[2023/2/18 12:14:29]

有了GRANDPA（GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement）作為它的確定性工具機制，Polkadot的中繼鏈包含兩個不同的協議，分別對應兩種不同類型的網絡。我們要討論的是第一個協議。這個協議對應的網絡，是部分同步的，并且最多可以有1/3的參與者是惡意的。我們生活中遇到的網絡，通常都是部分同步的。這是一個分布式系統的專業術語，簡而言之，是指：網絡在大多數情況下是同步的，當網絡不同步時，經過一定時間，也會回到同步的狀態（同步也是分布式系統的專業術語，這個可以暫時理解成日常用語里的“同步”）。

Dragonfly Capital合伙人：在熊市中需要企業家們更具創造性和雄心:金色財經聯合Coinlive現場報道，“Token 2049”峰會活動在新加坡舉辦，在題為\"將加密貨幣作為風險基金導航\"的圓桌討論中，Dragonfly Capital的管理合伙人Haseeb Qureshi表示，在牛市中，籌集資金非常容易。而在熊市中，事情變得更加困難，但這促使企業家們更具創造性和雄心。例如，Solana、OpenSea和Uniswap都是在熊市中創建的。他認為投資人在目前的環境下想看到的是創新的發明應該大膽一些。

Pantera資本的合伙人Paul Veradittakit分享稱，在熊市中，在資金很少或極少的情況下，最好是集中在一個問題上，先解決這個問題。試著想出一個辦法，讓它變得有意義，在熊市中獲得利潤。在這樣的環境中建立一個偉大的產品將更容易獲得吸引力。[2022/9/29 22:40:03]

關于GRANDPA，值得注意的是：1）只有被確定性工具機制最終確認的區塊能影響區塊的生成  2）可以同時為不同高度的多個區塊投票，這與Casper FFG不同。

Birdworld技術方將發行新的合約映射持幣用戶:據官方消息，birdworld的生態代幣LAN上線PancakeSwap交易時，遇到了閃電貸攻擊，birdworld技術方進行了狙擊黑客，攔截了黑客第一時間借貸買幣的30000USDT，現在所有用戶是無法交易狀態，birdworld技術方將發行新的合約，給除黑客以外持幣用戶映射1：1代幣，價格也將1：1。[2022/6/28 1:37:18]

本文只討論Polkadot的第一個協議。它專為部分同步網絡設計，不能容忍網絡分區或DoS攻擊。另外值得注意的一點是，該協議假定在未知時間GST之后，網絡變為同步。

每個參與者都存儲一個由BABE產生的區塊樹，這個區塊樹的根區塊是創世塊。參與者可以對樹上的一個區塊投票。如果一個區塊B獲得X票，X票包括了B自己和B的子孫節點的所有票。然后，?-GHOST函數g（S）返回獲得票倉S里絕對多數的區塊中區塊高度最大的那個區塊，記作B。

然后，區塊作者著手確定這個區塊B在票倉S中獲得絕對多數的可能性。GRANDPA協議的論文《Byzantine Finality Gadgets》這樣定義：“我們說，如果至少有2t + 1張票是超額投票（即一個投票者投了多于一張票）或者投給了除B子孫區塊的其他區塊，那么區塊B在票倉S中占據大多數是不可能的；否則，區塊B在票倉S中獲得絕對多數是可能的。”此外，論文還指出，“一個區塊B在一個票倉S里獲得絕對多數是可能的，當且僅當存在一個容錯票倉T，T是票倉S的子集，并且區塊B在票倉T中占絕對多數。”

這個協議在實踐中會出現以下的幾個問題：

如果我們假設區塊B和C不一致，而t個惡意投票者加1個誠實投票者投票給了B，2t個誠實投票人投給了C，那么根據上述定義，B得到絕對多數是可能的。然而，因為誠實的投票人不會超額投票，所以票倉S里不總是有一個子票倉T使得T里有絕對多數。這就使得GRANDPA無法實現活躍性保證。接下來，我們將詳細介紹這種情況。

假設我們保持相同的情況，以B和C作為在某個回合r中產生的兩個子區塊-也就是說，BABE在此回合經歷一個分叉，并且結果產生了兩個子塊B和C。

在第r輪，t + 1個投票者（所有t個惡意投票者+ 1個誠實投票者）投票給B，其余2t誠實投票者投票給C。因此，對每個投票者i，我們的g（）函數都會從前一個回合的estimate，E_ {r-1，i} [ E_{r,v} 表示投票者v在r輪的一個estimate，這個estimate包含了所有本可以在r輪最終確定卻實際上沒有被最終確定的區塊的信息，詳見論文《Byzantine Finality Gadgets》] 中輸出一個向B、C的一個祖塊。相應地，每個參與者都預先承諾（pre-commit）該祖塊。（值得注意的是，即使是網絡上誠實的節點，也可能由于網絡延遲或異步而出現這種分裂的投票結果。一個誠實節點可以首先接收到區塊B，因此它投票給B。其他誠實節點首先接收到C，因此他們投票給C。）

現在，每個投票者i估計從第r-1輪的E_ {r-1，i}來的祖塊可能是哪個塊。由于C_ {r，i} [ C_ {r，i}表示參與者i在r輪收到的所有預先承諾（pre-commits）] 可能導致E_ {r，i}的任何子級得到多數投票，因此回合r無法完成，整個共識過程失敗。

即使可以通過修正GRANDPA中的語義定義來解決此處討論的問題，我們也可以類似地將在Tendermint協議的討論中提到的那些攻擊用于GRANDPA。最終，我們只能得出結論，GRANDPA協議在上述網絡中不安全。

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