PRO:Proof of Validator：以太坊擴容路上關鍵的安全拼圖

今天，在以太坊研究論壇中悄然誕生了一個新的概念：Proof of Validator。

該協議機制允許網絡節點證明它們是以太坊驗證者，而無需透露它們具體的身份。

這和我們有什么關系？

一般情況下，市場更容易關注以太坊上某些技術創新所帶來的表層敘事，而很少提前深入研究技術本身。例如以太坊的上海升級、合并、從PoW轉到PoS以及擴容，市場只記住了LSD、LSDFi以及再質押的敘事。

但不要忘記，性能和安全是以太坊的重中之重。前者決定了上限，后者則決定了底線。

可以明顯看到，一方面以太坊一直在積極推進各種擴容方案來提升性能；但另一方面，擴容路上，除了自己修煉內功，也需要防范外來的攻擊。

例如，如果驗證節點被攻擊，導致數據不可用，那么一切構建在以太坊質押邏輯上的敘事和擴容方案，可能都會被牽一發而動全身。只是這種影響和風險躲在背后，最終用戶和投機者們難以察覺，有時甚至也不關心。

而本文要談到的 Proof of Validator，可能就是以太坊擴容路上關鍵的安全拼圖。

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既然擴容勢在必行，如何降低擴容過程中可能蘊含的風險，是一個不可回避的安全議題，它也與我們每一個圈內人休戚相關。

因此，有必要弄清楚新提出的 Proof of Validator的全貌。但由于技術論壇中的全文過于零碎和硬核，并且牽扯到了擴容諸多方案和概念，深潮研究院整合原帖和梳理必要的相關信息，對 Proof of Validator產生的背景、必要性和可能影響進行了解讀。

別著急，在正式介紹Proof of Validator之前，有必要搞清楚以太坊目前擴容的邏輯，和其中可能蘊含的風險。

以太坊社區正在積極推進多項擴容計劃。其中,數據可用性采樣 (簡稱DAS) 被視為最關鍵的一項技術。

其原理是將完整的區塊數據分割成若干“樣本（sample)”, 網絡中的節點只需要獲取與自己相關的少數樣本,就可以對完整區塊進行驗證。

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此前報道Push Protocol表示，將推出錢包到錢包的通信服務PushChat，并首先向在ETH Bogota使用Push的開發者開放。[2023/3/9 12:51:36]

這極大地降低了每個節點的存儲和計算量。換一個好理解的例子，這就類似我們抽樣調查,通過訪問不同人,可以總結出全體人群的總體狀況。

具體來說,DAS的實現方式簡述如下:

區塊生產者把區塊數據分割成多個樣本。

每個網絡節點只取到其關注的少數樣本,而不是完整的區塊數據。

網絡節點可以通過獲取不同的樣本,來隨機采樣驗證完整區塊數據是否可用。

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通過這種采樣,即使每個節點只處理少量數據,合起來也可以完整驗證整個區塊鏈的數據可用性。這可以使得區塊大小大幅提升,實現快速擴容。

但是，這種采樣方案有一個關鍵問題：海量樣本存儲在何處?這需要一整套去中心化網絡來支持。

這就給了分布式哈希表(DHT)機會大顯身手。

DHT可以看作是一個巨大的分布式數據庫,使用哈希函數將數據映射到一個地址空間中,不同節點負責存取不同地址段的數據。它可以用于在海量節點中快速查找和存儲樣本。

具體來說,DAS將區塊數據分割成多份樣本后,需要將這些樣本分布到網絡中的不同節點上存儲。DHT可以提供一種去中心化的方法來存儲和檢索這些樣本,其基本思路是:

使用一致的哈希函數,將樣本映射到一個巨大的地址空間中。

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網絡中的每個節點負責存儲和提供一個地址范圍內的數據樣本。

當需要某個樣本時,可以通過哈希查找對應地址,并在網絡中查找負責該地址范圍的節點,從中獲取樣本。

比如,按一定規則可將每個樣本哈希為一個地址,節點A負責0-1000號的地址,節點B負責1001-2000號的地址。

那么地址為599的樣本會存儲在節點A中。需要這個樣本時,通過同樣的哈希查找地址599,再在網絡中查找負責該地址的節點A,從它那里獲取樣本。

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這種方式打破了中心化存儲的局限,大大提升了容錯性和可擴展性。這正是DAS樣本存儲所需要的網絡基礎設施。

與中心化的存儲和檢索相比,DHT可以提高容錯性,避免單點故障,也能增強網絡的擴展性。此外,DHT還能幫助抵御DAS中提到的“sample hiding”等攻擊。

但是,DHT也存在一個致命弱點,那就是面臨Sybil攻擊的威脅。攻擊者可以在網絡中制造大量假節點,周圍的真實節點就會被這些假節點“淹沒”。

類比一下，一個誠實的小販被整排整排的假冒商品圍住,用戶就很難找到真品。這樣攻擊者就可以控制DHT網絡,導致樣本不可用。

舉例來說,要獲取地址1000的樣本,需要找到負責這個地址的節點。但是被攻擊者創建的成千上萬假節點包圍后,請求會被不斷導向假節點,而無法到達真正負責該地址的節點。結果是樣本無法獲取,存儲與驗證都失敗。

為了解決這個問題,需要在DHT上建立一個高信任的網絡層,僅由驗證者節點參與。但是DHT網絡本身無法識別節點是否為驗證者。

這就嚴重阻礙了DAS和以太坊擴容。有什么辦法可以抵御這種威脅,保證網絡的可信任性呢?

現在，讓我們回到這篇文章的重點：Proof of Validator。

在以太坊技術論壇中，今天 George Kadianakis , Mary Maller, Andrija Novakovic , Suphanat Chunhapanya 4人共同提出了這個方案。

它的總體構想是，如果我們能想出一種辦法，讓上一節DHT的擴容方案中，只允許誠實的驗證者加入DHT，那么想要發起女巫攻擊的惡意者，也必須質押大量ETH，在經濟上顯著提高作惡成本。

這個構想換一句我們更加熟悉的話來說，就是：我想在不知道你身份的前提下，知道你是個好人，并且能識別壞人。

這種有限信息的證明場景，零知識證明顯然能派上用場。

于是，Proof of Validator(下稱PoV)可用于建立一個只由誠實驗證節點組成的高可信DHT網絡,有效抵御女巫攻擊。

其基本思路是，讓每個驗證節點在區塊鏈上注冊一個公鑰,然后利用零知識證明技術,證明自己知悉這個公鑰對應的私鑰。這就相當于拿出自己的身份證明明自己是驗證節點。

此外，對于驗證節點的抗 DoS（拒絕服務） 攻擊，PoV還旨在隱藏網絡層上驗證者的身份。也就是說，該協議不希望攻擊者能夠分辨出哪個DHT節點對應于哪個驗證節點。

那么具體要怎么做？原帖用了大量的數學公式和推導，在此不做贅述，我們給出一個簡化的版本：

具體實現上,使用Merkle樹或Lookup表。比如利用Merkle樹，證明注冊公鑰存在于公鑰列表這棵Merkle樹中,然后證明從這個公鑰派生出的網絡通信公鑰是匹配的。整個過程利用零知識證明實現,不會泄露實際身份。

跳過這些技術細節，PoV最終實現的效果是：

只有通過身份驗證的節點才能加入DHT網絡,其安全性大大增加,可以有效抵御Sybil攻擊,防止樣本被故意隱藏或修改。PoV為DAS提供了一個可靠的基礎網絡,間接幫助以太坊實現快速擴容。

不過，當前PoV還處在理論研究階段,能否落地還存在不確定性。

但該貼的幾位研究員已經在小范圍進行了實驗，結果顯示，PoV在提出ZK證明的效率上，以及驗證者接收證明的效率還不錯。值得一提的是，他們實驗設備只是一臺筆記本，里面裝的還僅僅是一顆5年前的Intel i7處理器。

最后，當前PoV還處在理論研究階段,能否落地還存在不確定性。但是無論如何,它代表了區塊鏈通往更高擴展性的重要一步。作為以太坊擴容路線圖中的關鍵組件,它值得整個行業持續關注。

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