科普 | Casper FFG 的可審計安全性和近似活性_SPE

作者:AdityaAsgaonkar

翻譯&校對:IANLIU&阿劍

來源：以太坊愛好者

感謝CarlBeekhuizen的審閱。

區塊鏈需要向用戶提供兩種保障——1）區塊的確定性和2）.區塊鏈的活性——區塊鏈的底層共識機制就負責提供這兩種保障。以太坊2.0中，共識過程只在信標鏈上發生，并使用CasperFriendlyFinalityGadget(FFG)機制來幫助達成共識。本篇文章旨在描述基本的FFG機制，并證明它能提供上述兩種保障。

CasperFFG是一種“確定性工具”，這意味著CasperFFG規范了區塊的確定性規則，并能在事件發生之后檢查區塊的確定性。FFG機制與鏈的增長脫鉤，可以作為獨立組件附加在任意可用的區塊鏈協議上來提供區塊確定性。因為CasperFFG機制沒有能夠保證區塊鏈活性的策略，因此從這個角度來看，它并不算是完全成熟的共識協議。讓我們先從CasperFFG的結構開始，然后深入CasperFFG機制的規則，最終了解它提供的安全性&活性保證。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

投票

驗證者通過提交見證消息”）來對鏈上的區塊投票。投票的格式為，包含兩部分信息：來源區塊目標區塊——目標區塊必須是S的派生區塊具體來說，投票所包含的信息包括驗證者的數字簽名、用于確認區塊的區塊哈希和塊高。

動態 | 浙江衛視節目科普支付寶區塊鏈防偽溯源產品:昨日，在浙江衛視播出的科普綜藝欄目《智造將來》現場，支付寶首次展示了支付寶區塊鏈防偽溯源產品，以接地氣的方式公開向大眾展示區塊鏈在生活中的應用。[2019/3/4]

合理化與確定性達成

合理化與確定性達成是CasperFFG共識過程的兩個階段，可以和傳統拜占庭容錯共識的“prepare”和“commit”階段做橫向對比。

-因具備2/3以上的驗證者投票，區塊A&區塊B得到合理化-

合理化：只要某區塊B滿足下列條件，則該塊就被合理化：

區塊B是創世區塊，或

超過2/3以上的驗證者將選票投給(A,B)，其中B是A的后代區塊，且A在此前已被合理化。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

確定性：只要區塊B滿足以下條件，即獲得確定性：

區塊B是創世區塊，或

B已滿足合理性，且有超過2/3的驗證者選票投給(B,C)，其中C是B的直系子塊。

注意：關于確定性的定義，在以太坊2.0中CasperFFG有更一般化的定義，詳見此文。使用上文這種表述是為了保證通俗易懂。

CasperFFG規則

CasperFFG只有兩條簡單的限制規則，應用這兩個規則就能防止驗證者同時給(S1,T1)和(S2,T2)投票：

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

區塊高度(T1)=區塊高度(T2)，或

區塊高度(S1)<區塊高度(S2)<區塊高度(T2)<區塊高度(T1)

-CasperFFG規則違反情況一：區塊高度(T1)=區塊高度(T2)-

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

-CasperFFG規則違反情況二：區塊高度(S1)<區塊高度(S2)<區塊高度(T2)<區塊高度(T1)-

安全性&活性

CasperFFG的設計目的，是提供共識安全性和針對區塊敲定過程的活性。講得具體點，CasperFFG提供以下保證：

可追責的安全性：如果兩個相互沖突的區塊都達成了確定性，則至少有1/3的驗證者違反CasperFFG規則，而CasperFFG可以識別出這些驗證者。

近似活性：無論協議運行處于什么狀態，驗證者都能繼續履行職責、能在不違反CasperFFG規則的前提下敲定新區塊。

盡管和傳統的BFT文獻相比，這里提到的安全性和活性定義不是那么規范，但這種詮釋是非常適合用于分析區塊鏈的確定性工具的！

事實上，熟悉BFT文獻的人可能會覺得“近似活性”的概念簡直異想天開；不過因為CasperFFG只是“確定性工具”，整個機制只要確保誠實的驗證者能在不違反FFG規則的情況下推動推進協議，而不會被卡在任何一個環節，即可。

至于可追責安全性的定義，我們的重點是可追責性，然后這部分信息能夠被權益證明機制沿用、用于在區塊鏈上處罰惡意驗證者。最終目的還是為權益證明機制提供信息，使后者的激勵機制能生效，促使共識過程形成協議一開始設想的均衡狀態。

安全性證明

假設兩個相互沖突的區塊A和B都被敲定了，那么可能有兩種情況：

區塊高度(A)=區塊高度(B)

因為A和B在得到確定性之前先要獲得合理性，則它們

各自都要收到至少2/3的驗證者投票，這意味著一旦它倆都達到要求，則至少有1/3的驗證者違反了CasperFFG規則。

區塊高度(A)<區塊高度(B)

為了讓A達成確定性，需要超過2/3以上的驗證者將選票投給(A,C)，其中C是A的子塊。

為了讓B達成合理性，則在B之前必須存在連續升序的區塊，且每個區塊都已經被它的后一區塊合理化。假設區塊B_m是這串連續區塊中的首塊，區塊高度(A)<區塊高度(B_m)。

注意，這串連續的區塊不存在與區塊A或C相同的塊高，不然就變成了上一種情形。

現在假設我們將票投給(B_n,B_m)(其中n=m-1)，使得B_m獲得合理性。則因為區塊高度(B_m)、區塊高度(B_m)皆

不等于區塊高度(A)/區塊高度(C)，因此情況一定是區塊高度(B_n)<區塊高度(A)<區塊高度(C)<區塊高度(B_m)。

這樣一來我們就能說——至少有2/3的驗證者違反了CasperFFG規則二。

-安全性證明，情況：區塊高度(A)<區塊高度(B)-

而且只要確認票證集合、找出沖突選票、檢查驗證者簽名，就能輕易揪出違反CasperFFG規則的驗證者。

活性證明

假設P_0是最新的合理區塊，Q是曾得到過驗證者投票的最新區塊。

接下來，任何屬于P_0子塊的區塊P_1都能在不違反FFG規則的情況下收到2/3驗證者的的投票(P_0,P_1)，進而取得合理性。

P_1也能在不違反FFG規則的情況下收到2/3驗證者的的投票(P_1,P_2)，進而獲得確定性，其中P_2是P_1的子塊。

因此，至少有一組驗證者能夠敲定新塊。

進階閱讀材料

CasperFFG初版論文——?CaspertheFriendlyFinalityGadget

對Eth2.0應用CasperFFG方法的分析——?CombiningGHOSTandCasper

原文鏈接:?https://www.adiasg.me/2020/03/31/casper-ffg-explainer.html

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