Vitalik：如何權衡協議設計中的「封裝復雜性」和「系統復雜性」？_VIT

原文作者：VitalikButerin，以太坊聯合創始人

原文編譯：南風

以太坊協議設計的主要目標之一是最小化復雜性：使協議盡可能簡單，同時仍然使區塊鏈能夠做好一個有效的區塊鏈網絡需要做到的事情。以太坊協議在這方面還遠遠不夠完美，特別是因為它的很多部分都是在2014-16年設計的，當時我們對它的理解要少得多，但我們仍然在盡可能地積極努力降低復雜性。

然而，這個目標的挑戰之一是復雜性很難定義，且有時，你必須在兩個引入不同種類復雜性和具有不同代價的選擇之間進行權衡。我們如何比較？

有一個強大的智能工具可以讓我們對復雜性進行更細致的思考，那就是區分我們所謂的封裝復雜性(encapsulatedcomplexity)和系統復雜性(systemiccomplexity)。

當一個系統的子系統內部復雜，但向外部呈現一個簡單的“接口”(interface)時，就是出現了「封裝復雜性」。當系統的不同部分甚至不能被清晰地分開，并且相互之間有復雜的交互時，「系統復雜性」就出現了。

Vitalik Buterin：賬戶抽象升級可以吸引數十億人使用以太坊:7月20日消息，以太坊創始人Vitalik Buterin最近在以太坊社區會議（EthCC）演講中詳細介紹賬戶抽象升級“paymasters”如何讓用戶用用于交易的代幣支付Gas費，從而吸引數十億人使用以太坊。賬戶抽象使用戶能夠從外部擁有的錢包（EOA）切換到基于智能合約的錢包。如果此次升級成功，錢包管理將比現在更加高效和輕松。Vitalik Buterin和社區相信，這可以使加密貨幣得到廣泛采用。

此外，加密貨幣領域充斥著丟失助記詞或助記詞被盜的用戶。通過賬戶抽象，用戶可以創建充當可編程智能合約的非托管錢包。錢包恢復只是此次新升級帶來的眾多功能之一。[2023/7/20 11:06:21]

以下是幾個例子。

BLS簽名vs.Schnorr?簽名

BLS簽名和Schnorr簽名是兩種常用的可由橢圓曲線構成的加密簽名方案。

Vitalik Buterin：已把2011年制作的游戲上傳到IPFS:金色財經報道，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin在社交媒體上稱，我把在加密前（2011年）做的一款游戲上傳到IPFS。祝好運。

對此，Aave及LensProtocol創始人Stani表示，一件很酷的事情是，有一個哈希值，所以你可以隨時找到游戲并玩它。不知道你用什么來創建它，但是帶有Unity的webGL使得為IPFS渲染變得非常容易。[2023/5/23 15:20:23]

BLS簽名在數學上看起來非常簡單：

H是一個哈希函數，m是消息，k和K是私鑰和公鑰。到目前為止，很簡單。然而，真正的復雜性隱藏在e函數的定義中：橢圓曲線配對(ellipticcurvepairings)，這是所有密碼學中最難以理解的數學部分之一。

現在，我們來看看Schnorr簽名。Schnorr簽名只依賴于基本的橢圓曲線。但是簽名和驗證邏輯有點復雜：

Gravity Finance項目Discord服務器已被入侵:金色財經報道，據CertiK監測，Gravity Finance項目Discord服務器已被入侵，黑客發布了虛假空投鏈接。在團隊確認他們已經恢復服務器的控制權之前，請勿點擊任何鏈接。[2023/4/6 13:47:37]

所以…哪種類型的簽名“更簡單”？這取決于你在乎什么！BLS簽名具有巨大的技術復雜性，但復雜性都隱藏在e函數的定義中。如果你把e函數看作一個黑盒，BLS簽名實際上是非常簡單的。另一方面，Schnorr簽名的總體復雜性較低，但有更多的部分，能以一種微妙的方式與外部世界互動。

例如：

進行BLS多簽(兩個密鑰k1和k2的組合簽名)很簡單：只需σ1σ2。但是Schnorr多簽名需要兩輪交互，并且需要處理一些棘手的KeyCancellation攻擊。

Schnorr簽名需要生成隨機數，BLS簽名不需要。

Vitalik Buterin：加密開發人員將從“加密冬天”中受益:2月22日消息，在面臨包括以太坊在內的所有主要加密貨幣的價格和市值快速下跌的情況下，Vitalik Buterin表達了他對這種情況的看法。Vitalik Buterin聲稱，許多開發商贊成熊市，因為它允許專注于開發技術最先進的產品和服務，而不會被金融和投機問題分心。V神認為，通過獲得加密社區的適當認可，最可持續和最有效的加密項目可以從“加密冬天”中顯著受益。

Vitalik Buterin 表示，他無法可靠地預測加密行業的未來動態。他考慮了以下兩種主要情況。第一個是“加密貨幣冬天”，長期衰退將影響所有主要加密貨幣的資本化，包括比特幣、以太坊等。（crypto.news）[2022/2/22 10:07:15]

橢圓曲線配對通常是一個強大的“復雜性海綿”，因為它們包含大量封裝復雜性，但使解決方案具有更少的系統復雜性。這也適用于多項式承諾領域：將KZG承諾(需要配對)的簡單性與更復雜的內積證明(innerproductarguments，不需要配對)的內部邏輯進行比較。

動態 | 區塊鏈公司SimplyVital Health獲得美國國家科學基金會22.5萬美元贈款:根據在10月10日發布的新聞稿，總部位于新英格蘭的區塊鏈公司SimplyVital Health已從美國國家科學基金會（NSF）獲得225,000美元的贈款，用于研究其協議Nexus與Graphene協議的集成。NSF將該贈款作為其小型企業計劃的一部分，該計劃每年向創新型初創企業和小型企業捐款2億美元。[2019/10/11]

密碼學vs.加密經濟學

在許多區塊鏈設計中出現的一個重要設計選擇是密碼學(cryptography)與加密經濟學(cryptoeconomics)的比較。這(比如在Rollups中)常常是在有效性證明(即ZK-SNARKs)和欺詐證明之間做出選擇。

ZK-SNARKs是復雜的技術。雖然ZK-SNARKs工作原理背后的基本思路可以在一篇文章中解釋清楚，但實際上實現一個ZK-SNARK來驗證一些計算涉及到比計算本身多很多倍的復雜性(因此，這就是為什么用于EVM的ZK-SNARKs證明仍在開發中，而用于EVM的欺詐證明已經在測試階段)。有效地實現一個ZK-SNARK證明涉及到了對特殊目的進行優化的電路設計、使用不熟悉的編程語言以及許多其他挑戰。另一方面，欺詐證明本身就很簡單：如果有人提出挑戰，你只需直接在鏈上運行計算。為了提高效率，有時會添加一個二進制搜索方案，但即使這樣也不會增加太多的復雜性。

雖然ZK-SNARKs很復雜，但它們的復雜性是封裝復雜性。另一方面，欺詐證明的相對較低的復雜性，是系統復雜性。以下是欺詐證明引入的一些系統復雜性的例子：

它們需要謹慎的激勵工程來避免驗證者的困境。

如果在達成共識的情況下完成，它們需要為欺詐證明提供額外的交易類型，同時還要考慮到如果許多參與者同時競相提交欺詐證明會發生什么。

它們依賴于一個同步網絡。

它們允許審查攻擊(censorshipattacks)也被用來進行盜竊。

基于欺詐證明的Rollups要求流動性提供者支持即時提款。

由于這些原因，即使從復雜性的角度來看，基于ZK-SNARKs的純加密解決方案也可能是長期安全的：ZK-SNARKs有著更復雜的部分，這是一些人在選擇ZK-SNARKs時必須考慮到的；但ZK-SNARKs有著更少的懸空警告，這是每個人都必須考慮到的。

PoW(中本聰共識)：較低的封裝復雜性，因為該機制非常簡單和容易理解，但有著更高的系統復雜性(如自私挖礦攻擊)。

哈希函數：較高的封裝復雜性，但有著非常容易理解的屬性，因此系統復雜性很低。

隨機洗牌算法：洗牌算法既可以是內部復雜(比如Whisk)，但卻能夠確保強大的隨機性，且易于理解；也可以是內部簡單，但卻能夠產生較弱且難以分析的隨機性屬性(比如系統復雜性)。

礦工提取價值(MEV)：一個強大到足以支持復雜事務(complextransactions)的協議在內部可能相當簡單，但那些復雜的事務可能會對協議的激勵機制產生復雜的系統影響，因為它們會以非常不正常的方式提議區塊。

Verkle樹：Verkle樹確實有一些封裝復雜性，實際上比普通的Merkle哈希樹要復雜得多。然而，從系統上講，Verkle樹提供了與鍵值(key-value)映射完全相同的相對干凈和簡單的界面。主要的系統復雜性“泄漏”(leak)是攻擊者操縱Verkle樹使一個特定值有一個非常長的分支(branch)的可能性；但Verkle樹和Merkle樹的風險是相同的。

我們如何權衡呢？

通常，封裝復雜性較低的選擇也是系統復雜性較低的選擇，因此有一個選擇顯然更簡單。但在其他時候，你必須在一種復雜性和另一種復雜性之間做出艱難的選擇。在這一點上應該清楚的是，如果是封裝復雜性，那么其危險性就會更低。一個系統復雜性帶來的風險不是一個簡單的規范長度的函數；規范中一個10行代碼的小片段與其他部分相互作用會比100行代碼的函數更復雜，否則就會被視為一個黑盒。

然而，這種偏好封裝復雜性的方法存在局限性。任何一段代碼中都可能出現軟件bugs，當代碼越來越大時，出現錯誤的概率接近1。有時，當你需要以意想不到的新方式與子系統交互時，最初的封裝復雜性可能會變成系統復雜性。

后者的一個例子是以太坊當前的兩級狀態樹(two-levelstatetree)，其特征是帳戶對象樹，其中每個帳戶對象依次有自己的存儲樹。

這個樹結構是復雜的，但在一開始，這種復雜性似乎被很好地封裝：協議的其余部分作為可讀寫的鍵/值存儲與樹交互，所以我們不必擔心樹是如何構造的。

然而，后來，這種復雜性被證明具有系統性影響：帳戶擁有任意大的存儲樹的能力意味著沒有辦法可靠地期望某個特定的狀態部分(例如。“所有以0x1234開頭的帳戶”)具有可預測的大小。這使得將狀態分割成多個部分變得更加困難，使同步協議的設計和分布存儲進程的嘗試變得更加復雜。為什么封裝復雜性會變成系統性的？因為interface改變了。解決方法是什么？目前轉向Verkle樹的提議還包括轉向一個均衡的單層樹設計。

最終，在任何給定的情況下，哪種類型的復雜性更受歡迎是一個沒有簡單答案的問題。我們所能做的最好的事情是適度地支持封裝復雜性，但不要太多，并在每個具體的情況下演練我們的判斷。有時候，犧牲一點系統復雜性來極大地降低封裝復雜性確實是最好的做法。其他時候，你甚至會誤判什么是封裝的，什么不是。每種情況都是不同的。

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