證明系統哪家強：欺詐證明（Fraud Proof）vs.有效性證明（Validity Proof）
在這篇文章中，我們基於欺詐證明（Fraud Proof）和有效性證明（Validity Proof）之間的區別，分析和比較各種2層（L2）可擴充套件性解決方案。我們認為，有效性證明擁有根本性優勢，因為它確保只有正確的狀態轉換才會被接受。
圖片來源 wikimedia
背景
最近幾個月出現了幾個旨在解決以太坊可擴充套件性問題的專案（諸如Truebit，Gluon Plasma，dFusion，Roll-Up和Ignis等），它們都是基於證明的。基本的想法很簡單：不用將很多交易寫入區塊鏈，而是生成一個證明（proof），用這些交易的某些簡潔表示（例如雜湊）來代表新的狀態。
上述提到的專案都是L2解決方案：它們定義了一個在1層（L1）上執行的協議（和邏輯），依靠它來提供各種服務，如存款/取款，確認鏈下狀態的分類賬以及作為“通用時鐘”使用。重要的是，L1不瞭解L2的邏輯，因此也不能執行任何L2邏輯。
我們想提出一個比較這些解決方案的框架，特別關注欺詐證明與有效性證明之間的區別。從本質上說，欺詐證明和有效性證明都可以存在於L1中，但目前的嘗試以及我們的分析都把關注點放在了L2上。
欺詐證明提出證據，表明狀態轉換是不正確的。 它們反映了對世界的樂觀看法：假設區塊代表L2資料的正確狀態，直到被證明不是這樣。 但實際上，一個已提交的區塊可能包含錯誤的狀態轉換。
有效性證明則提出證據，表明狀態轉換是正確的。 它們反映了對世界更悲觀的看法。區塊只有在狀態是正確的時候，才會將代表L2狀態的數值包含在內。
值得強調的是：使用證明系統（例如SNARK，STARK）時有兩種形式：欺詐證明和有效性證明。人們不應該將我們如何證明（例如SNARK，STARK）與我們證明了什麼（欺詐或有效性）混淆起來。
更深入的探討
欺詐證明
欺詐證明的主要優勢是，並不是每次狀態轉換都需要它們。因此， 它們需要較少的計算資源，並且更適合可擴充套件性受限的環境。 這些協議的主要缺點源於它們的互動性：它們定義了一個多方之間的“對話”。對話要求當事方—— 特別是聲稱有欺詐的一方 ——線上（活躍），並允許其他方通過各種方式中斷對話。但問題的核心在於協議將沉默（即沒有對新狀態發起挑戰）解釋為預設的同意。 實際上，攻擊者可能會嘗試使用DDoS攻擊來產生沉默的假象。讓我們描述一下概念協議：由於區塊可能包含不正確的狀態轉換，因此欺詐證明協議允許在一個時間範圍 ——爭議時間段（Dispute Time Frame，DTF）—— 對此錯誤狀態提出異議。該時間視窗以區塊為單位進行衡量。如果在DTF內未提交欺詐證據，則認為L2狀態轉換是正確的。如果欺詐證明被提交給智慧合約，並且被發現是正確的（即，在DTF內提交，並且確實證明了狀態轉換是錯誤的），則至少會導致智慧合約恢復到上一次正確的L2狀態。其他措施，例如對違規方進行處罰，也可能會執行。
DTF持續時間的不同選擇會帶來這樣的結果： 它越長，檢測到錯誤狀態轉換的概率就越高 ——這是好的一面。但是，時間越長，使用者必須等待的時間也會越長，例如，提取資金——這是不好的一面。
有效性證明
有效性證明相比之下就簡單很多了：一些離線計算的代表形式被髮送到智慧合約。只有在驗證為正確後，智慧合約才會使用這個新的數值更新區塊鏈。有效性證明的主要優點是區塊鏈將始終反映正確的L2狀態，可以立即使用新的狀態。主要缺點是， 每次狀態轉換都需要證明，而不僅僅是在這種轉換受到爭議時，這會影響可擴充套件性。51％Attacks
在眾多可能的攻擊中，我們這裡主要關注L1上的51％攻擊。我們最近看到這種攻擊事件不斷髮生，包括對以太坊經典的攻擊。欺詐證明和有效性證明如何抵禦此類攻擊呢？
欺詐證明：51％攻擊允許攻擊者將區塊鏈引入欺詐狀態，例如，從被攻擊的交易所中竊取資金。
· 攻擊者使用欺詐性狀態轉換建立BlockFr。例如，這包括將交易所中的所有資金轉移到他們自己的賬戶。
·在BlockFr之上，他們將新增DTF區塊，最終形成一個區塊，其中包括取出BlockFr中授予的全部資金。
·然後，他們繼續將鏈擴充套件到DTF以外，以及當前的鏈以外。他們有能力這樣做，因為他們控制了51％的雜湊值。
·發動這種攻擊的成本（目前非常低，對發動以太坊攻擊的成本低於10萬美元/小時）與獲得潛在收益（即受到攻擊的交易所控制的資金）無關。但隨著加密交易所中交易活動的增加，它們更加有可能成為這種攻擊的目標。
總而言之，根本問題在於，L2解決方案定義了自己的邏輯，允許包含欺詐狀態轉換的區塊。攻擊者偷走資金後的分類帳狀態仍然是合法的狀態！ 沒有發生雙重支付，但是發生了欺詐行為。
有效性證明：51％攻擊只能逆轉記錄的歷史，並可能提供新的歷史記錄；重要的是，這個替代歷史也是正確的。可在此處執行的攻擊範圍僅限於L1可能發生的攻擊。在幣幣交易所中（特別是當所有的交易資產都駐留在同一區塊鏈上時），逆轉記錄有時可能是一個暴利的舉動：例如，賣方可能會很樂於去逆轉一個事後才發現是最低價的交易，但是在一個加密資產存放在給定區塊鏈的交易所中，沒有任何手段可以去直接盜竊加密資產。
提議的解決方案
鑑於這些明顯的缺點，為什麼很多專案（例如Gluon Plasma和dFusion）還是要使用欺詐證明呢？ 主要原因是有效性證明過於昂貴和繁瑣 。
在使用證明系統之前，在一個無需許可的系統中，“有效性證明”涉及原生重放（native replay），因此極大地限制了可擴充套件性；本質上，當前這種重放在L1上仍在進行，大家已經瞭解其對可擴充套件性的限制。 證明系統提供了一個非常吸引人的特點，稱為簡潔性：為了驗證狀態轉換，只需要驗證證明 ，這樣做所需的成本實際上與狀態轉換的大小無關（更確切地說，它是狀態轉變大小的多對數函式）。
Ignis / Roll-Up都依賴於需要可信設定的SNARK，而它比STARK需要更多的證明計算資源。 StarkWare正在努力部署StarkDEX（DEX的可擴充套件性解決方案），它將使用STARK來實現有效性證明。
結論
我們強調了有效性證明在51％攻擊方面的固有優勢。憑藉其快速的驗證時間，簡潔的驗證和無信任的設定，STARK將是生產級有效性證明的有力手段。