Điện toán ngoài chuỗi vẫn đang trên đường mở rộng.

Tiêu đề gốc: "Điện toán ngoài chuỗi, một giải pháp tốt để mở rộng công suất vẫn đang trên đường phát triển - —Công nghệ Blockchain Tập 13》

Tác giả gốc: Song Shuangjie, CFA; Tian Zhiyuan; Wang Zelong; Jin Jiahao

Nguồn gốc: Viện nghiên cứu Tongzhengtong × FENBUSHI DIGITAL

Tính toán ngoại tuyến là một trong những giải pháp mở rộng chuỗi khối ngoài chuỗi. Một loạt giải pháp điện toán ngoài chuỗi đã được đề xuất và đang dần được triển khai . .

Tóm tắt

Blockchain hiện tại thường phải đối mặt với thiếu sót về khả năng xử lý dữ liệu không đủ trên chuỗi, điều này hạn chế khả năng ứng dụng thêm của blockchain. Trong bối cảnh đó, điện toán ngoài chuỗi đã được đề xuất như một trong những kế hoạch mở rộng. Ý tưởng cơ bản là chuyển các giao dịch khác nhau được xử lý ban đầu trên chuỗi sang xử lý ngoài chuỗi, trong khi chỉ giữ lại phần xác minh trên chuỗi, từ đó gián tiếp Cải thiện khả năng xử lý dữ liệu trên chuỗi.

Các phép tính ngoài chuỗi chủ yếu bao gồm các phép tính ngoài chuỗi có thể kiểm chứng được, "loại kèm theo" Ở đó là bốn phương pháp: điện toán ngoài chuỗi, tính toán đa bên an toàn ngoài chuỗi và điện toán ngoài chuỗi dựa trên khuyến khích. Mỗi giải pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Một số giải pháp còn tương đối mới và ít hoặc chưa triển khai dự án nào, chẳng hạn như zk-STARKs, Bulletproofs, v.v., trong khi một số giải pháp đã được các dự án lớn thử nghiệm và phê duyệt, chẳng hạn như zk-SNARKs .

Các phép tính ngoài chuỗi có thể xác minh bao gồm hai loại vai trò: người xác minh và người chứng minh. Vai trò đầu tiên nằm trên chuỗi và vai trò sau Nằm ngoài chuỗi.

Điện toán ngoài chuỗi loại "Enclave" dựa trên TEE (Môi trường thực thi đáng tin cậy, được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật và thực thi mã hoàn chỉnh). Trong mô hình điện toán này, tính toán ngoài chuỗi được thực hiện độc quyền trong các “khu vực” đáng tin cậy.

Có thể đạt được tính toán an toàn cho nhiều bên bằng cách hợp nhất tất cả các bên mà không cần biết nội dung dữ liệu đầy đủ. kết quả thu được bằng cách tính kết quả của các phần tương ứng của dữ liệu.

Tính toán ngoài chuỗi dựa trên khuyến khích giả định rằng tất cả các bên tham gia tính toán đều là những người có lý trí kinh tế. Mô hình này chủ yếu bao gồm hai loại vai trò: người giải xử lý các tác vụ tính toán và người xác minh tính toán lại các tác vụ tính toán được xử lý bởi người giải và kiểm tra xem chúng có chính xác hay không. Nhưng trong một số tình huống, nhiều nhân vật hơn sẽ được giới thiệu.

Hiện tại, nhiều giải pháp điện toán ngoài chuỗi đã đạt được tiến bộ hoặc đang được triển khai và ngoài chuỗi điện toán chuỗi được sử dụng như một khối Một trong những giải pháp mở rộng cho chuỗi, nó sẽ được phát triển và ứng dụng hơn nữa trong tương lai.

Nhắc nhở rủi ro: Tiến bộ công nghệ kém hơn mong đợi, kênh trên chuỗi và ngoài chuỗi security

Điện toán ngoài chuỗi là một trong những giải pháp mở rộng chuỗi khối ngoài chuỗi .

1 Tính toán ngoài chuỗi, xác minh trên chuỗi

Sự xuất hiện của các giao dịch mới khiến "trạng thái" trên chuỗi thay đổi. Chuỗi khối có thể được coi là đang xử lý một " state" Một cỗ máy chuyển đổi các chức năng. Điện toán ngoài chuỗi là mô hình chuyển quá trình tính toán chức năng “chuyển trạng thái” từ trên chuỗi sang ngoài chuỗi, sau đó gửi kết quả tương ứng đến chuỗi để xác minh.

Đầu tiên, bất kỳ nút ngoài chuỗi nào cũng truy xuất trạng thái liên quan từ chuỗi khối làm đầu vào. Không giống như mô hình xử lý dữ liệu trên chuỗi hoàn toàn mở cho công chúng, thông tin liên quan trong quy trình tính toán ngoài chuỗi có thể được công khai hoặc riêng tư.

Dựa trên giá trị đầu vào, các nút trong chuỗi sẽ tính toán kết quả của hàm "chuyển trạng thái" , sau đó chuyển đổi nó Gửi tới chuỗi. Đầu vào công khai không cần ẩn quá trình tính toán, trong khi các tính toán đầu vào riêng tư cần được giữ kín. Giá trị chức năng được xác minh trên chuỗi, nếu giá trị chức năng đúng, nó sẽ được ghi lại ở trạng thái của chuỗi.

Tại sao cần triển khai xác minh trên chuỗi? Bởi vì có thể xảy ra gian lận hoặc gian lận khi tính toán chức năng "chuyển trạng thái" ngoài chuỗi và gửi kết quả, việc giới thiệu trình xác minh trên chuỗi có thể đưa ra kế hoạch B chính xác.

2 Bốn chế độ chính của điện toán ngoài chuỗi

2.1 Tính toán ngoài chuỗi có thể xác minh được

Để đạt được Mô hình tính toán ngoài chuỗi có thể kiểm chứng được, có ba thuật toán có thể được sử dụng làm đường dẫn:

(1) Khái niệm

Mô hình này bao gồm hai loại vai trò: người xác minh và người chứng minh (Prover), cái trước nằm trên chuỗi và cái sau là nằm ngoài chuỗi. Quy trình hoạt động của chế độ này tương tự như định nghĩa cơ bản về điện toán off-chain nên tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết ở đây.

(2) Các tính năng chính

Không tương tác. Người chứng minh có thể thuyết phục người xác minh bằng một mẩu thông tin (nghĩa là quá trình truyền từ ngoài chuỗi sang trên chuỗi). Các giải pháp tương tác cao sẽ tạo ra nhiều giao dịch blockchain, tăng gánh nặng cho mạng blockchain và tăng chi phí xác minh.

Chi phí xác minh thấp. Trong những trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như khi xác minh thông tin bí mật, chi phí xác minh tương đối cao có thể chấp nhận được; mặt khác, trong những trường hợp thông thường, chi phí tính toán ngoài chuỗi + xác minh trên chuỗi phải thấp hơn chi phí tính toán thuần túy trên chuỗi.

(3) Triển khai

Để triển khai mô hình điện toán ngoài chuỗi có thể kiểm chứng, có ba thuật toán có thể được sử dụng làm đường dẫn:

1) zk-SNARK

zk-SNARK là Bằng chứng không có kiến thức Các biến thể của thuật toán này được đặt tên là: Không có kiến thức, Ngắn gọn, Không tương tác và các từ viết tắt ghép của Lập luận về Kiến thức và Bằng chứng. .

So với "bản thể luận" của bằng chứng không có kiến thức, zk-SNARK tạo nên mối quan hệ giữa người chứng minh và trình xác minh Có rất ít hoặc không có sự tương tác, chi phí xác minh của nó thấp và tính bảo mật tính toán của nó tương đối cao.

Hiện tại, zk-SNARK dựa vào thiết lập đáng tin cậy ban đầu giữa người chứng minh và người xác minh - Điều này có nghĩa là công khai cần có bộ tham số để xây dựng zk-SNARK và do đó tạo ra các giao dịch riêng tư. Các tham số này được mã hóa vào giao thức và là một trong những yếu tố cần thiết để chứng minh tính hợp lệ của giao dịch. Một vấn đề tiềm ẩn với điều này là các tham số thường được đặt bởi một nhóm nhỏ và có thể có vấn đề về độ tin cậy. Ngoài ra, về mặt lý thuyết, nếu người chứng minh có đủ khả năng tính toán, anh ta có thể đưa ra bằng chứng sai lệch và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Đây là lý do tại sao máy tính lượng tử được coi là mối đe dọa đối với thuật toán này.

Các dự án nổi tiếng hiện đang triển khai thuật toán zk-SNARKs bao gồm Zcash, Loopring, v.v.

Ethereum cũng dự kiến sẽ triển khai zk-SNARK. Vào tháng 1 năm 2019, Ethereum Foundation và công ty khởi nghiệp Matter đã cùng nhau phát hành kế hoạch mở rộng sidechain bằng cách sử dụng zk-SNARK trên mạng thử nghiệm Ethereum.

2) Chống đạn

Thuật toán này do Jonathan Bootle của Đại học College London và Benedikt Bunz của Đại học Stanford cùng đề xuất vào cuối năm 2017. Đây là một sơ đồ tính toán có thể kiểm chứng bằng chứng không có kiến thức không tương tác. So với zk -SNARK, việc xác minh tốn kém hơn nhưng không yêu cầu thiết lập ban đầu đáng tin cậy.

Monero là mã thông báo mật mã chính đầu tiên triển khai thuật toán Bulletproofs. Theo trang web chính thức của Monero, vào mùa hè năm 2018, cộng đồng của nó đã công bố một báo cáo kiểm toán về việc triển khai Bulletproofs của Monero và Bulletproofs lần đầu tiên được triển khai trên Monero Stagenet. Đến tháng 10 năm 2018, mạng chính Monero đã hoàn thành việc triển khai Bulletproofs.

Theo nhà nghiên cứu Sarang Noether của Monero Research Lab, số lượng giao dịch trung bình trên Monero kể từ khi Bulletproofs được triển khai Khối lượng đã giảm 80% và phí giao dịch cũng giảm đáng kể.

3) zk-STARKs

Thuật toán này được tạo ra bởi Giáo sư Eli-Ben-Sasson của Viện Công nghệ Technion-Israel. Nó là sự thay thế cho zk-SNARK và được coi là một thuật toán hiệu quả hơn, nhưng do khó triển khai nên không rõ liệu nó có hiệu quả hơn về mặt chi phí trong tương lai hay không.

Tương tự như Bulltetproofs, zk-STARKs không yêu cầu khởi tạo cài đặt đáng tin cậy - vì nó sử dụng tính năng chống va chạm Các hàm băm chống va chạm cho phép mã hóa đối xứng, gọn gàng hơn và thuật toán loại bỏ các giả định về lý thuyết số có trong zk-SNARK, vốn rất tốn kém để thực thi và dễ bị tấn công bởi máy tính lượng tử.

Nhưng so với zk-SNARK, nhược điểm của nó là việc chứng minh có thể phức tạp hơn, do đó hạn chế khả năng chứng minh của nó. hiệu suất tiềm năng.

2.2 Tính toán ngoài chuỗi kiểu "Enclave"

(1) Khái niệm

Mô hình tính toán này dựa trên TEE. Trong mô hình điện toán này, tính toán ngoài chuỗi được thực hiện độc quyền trong một “vùng bao bọc” đáng tin cậy và mọi thông báo trong “vùng bao bọc” có thể được xác thực và chứng nhận bởi một thực thể bên ngoài đáng tin cậy. Khi bắt đầu tính toán, các giá trị đầu vào công khai được lấy từ blockchain, trong khi các giá trị đầu vào riêng tư được các nút ngoài chuỗi tùy chọn thêm vào. Tính toàn vẹn của kết quả đầu ra được xác minh thông qua các bằng chứng xác minh trên chuỗi. Sau khi xác minh thành công, trạng thái mới sẽ được ghi lại trong blockchain.

(2) Triển khai

Các dự án như Enigma và Ekiden đã thử giải pháp này.

Trong dự án Enigma, các phép tính có thể được thực hiện cả trên chuỗi và ngoài chuỗi. Được thực hiện trong " Bao vây". Ngôn ngữ kịch bản cụ thể của Enigma cho phép các nhà phát triển đánh dấu các mục mục tiêu là riêng tư, từ đó buộc tính toán ở chế độ ngoài chuỗi.

Trái ngược với Enigma, Ekiden không hỗ trợ tính toán trên chuỗi và chuỗi khối chỉ được sử dụng cho mục đích liên tục lưu trữ nhà nước. Mã và các giá trị đầu vào riêng tư được cung cấp bởi các máy khách ngoài chuỗi chỉ giao tiếp với "vùng". Sau khi tính toán hoàn tất, "vùng" sẽ cung cấp kết quả trực tiếp cho khách hàng, đồng thời, trạng thái được ghi lại trong chuỗi khối.

2.3 Tính toán an toàn cho nhiều bên ngoài chuỗi

(1) Khái niệm

Tính toán an toàn của nhiều bên Có thể đạt được rằng khi tất cả các bên không biết nội dung dữ liệu đầy đủ, bằng cách kết hợp kết quả tính toán của dữ liệu từng phần tương ứng của họ, có thể thu được kết quả cuối cùng (bằng kết quả tính toán sử dụng dữ liệu hoàn chỉnh) .

Điều tương tự cũng đúng đối với việc triển khai tính toán an toàn của nhiều bên ngoài chuỗi. Sự khác biệt nằm ở giới thiệu trên chuỗi và trên chuỗi Các khái niệm sau:

Đầu tiên, dữ liệu riêng tư được chia thành nhiều phần và ở dạng giá trị đầu vào riêng tư Được phân phối giữa một số nút ngoài chuỗi. Giá trị trạng thái hiện tại của blockchain có thể được sử dụng làm giá trị đầu vào công khai. Sau đó, các nút ngoài chuỗi sẽ tính toán các giá trị chuyển đổi trạng thái ngoài chuỗi của các phần tương ứng của chúng.

Các nút ngoài chuỗi xuất bản kết quả tương ứng của chúng và kết hợp chúng, sau đó đặt chúng vào chuỗi.

Một trong những đặc điểm mà giao thức tính toán đa bên an toàn ngoài chuỗi cần đáp ứng là kiểm toán công khai. A ví dụ cụ thể là bạn không tham gia vào các công việc trên. Kiểm toán viên của quy trình có thể xác minh tính đúng đắn của kết quả tính toán. Do đó, tính chính xác của kết quả tính toán có thể được xác minh bởi kiểm toán viên trực tuyến trong giai đoạn xác minh hoặc bởi kiểm toán viên ngoài chuỗi bằng cách đánh giá dấu vết kiểm toán của kiểm toán viên trực tuyến (bản ghi hoạt động của hệ thống).

(2) Triển khai

Các phương pháp triển khai tính toán an toàn của nhiều bên nói chung có thể được chia thành ba loại:

1)Phương pháp xây dựng dựa trên mạch nhầm lẫn Yao;

2)Phương pháp xây dựng dựa trên chia sẻ bí mật;

3) Phương pháp xây dựng dựa trên mã hóa đồng cấu.

Hiện tại có nhiều dự án đang cố gắng sử dụng các giao thức điện toán an toàn của nhiều bên, chẳng hạn như Defi, Enigma, vân vân.

2.4 Tính toán ngoài chuỗi dựa trên khuyến khích

(1) Khái niệm

Mô hình này giả định rằng tất cả các bên tham gia tính toán đều là những con người kinh tế lý trí (nghĩa là các bên tối đa hóa bản thân mình ở mức tối thiểu). chi phí lãi vay). Mô hình này chủ yếu bao gồm hai loại vai trò: người giải (Solver) xử lý các tác vụ tính toán và người xác minh tính toán lại các tác vụ tính toán do bộ giải xử lý và kiểm tra xem chúng có chính xác hay không. Nhưng trong một số tình huống, nhiều nhân vật hơn sẽ được giới thiệu.

(2) Triển khai

Giải pháp nổi tiếng nhất cho điện toán ngoài chuỗi thúc đẩy khuyến khích là TrueBit, có nguyên tắc cơ bản là:

Người dùng đưa ra yêu cầu tính toán và trả tiền hoa hồng. Nếu người giải quyết ngoài chuỗi tin rằng giá hoa hồng phù hợp với mong đợi, việc tính toán sẽ được thực hiện và kết quả sẽ được công bố . Ngoài ra, người giải quyết còn phải nộp tiền đặt cọc.

Một bên thứ ba liên quan đến người dùng và người giải quyết - người xác minh (cũng nằm ngoài chuỗi), bạn có thể chạy lại phép tính trên và kiểm tra xem nó có sai không; nếu bạn thấy rằng người giải đã đưa ra kết quả sai, bạn có thể bắt đầu một thử thách và gửi nó đến trọng tài trực tuyến. Tương tự như vậy, người xác nhận được yêu cầu cung cấp tiền đặt cọc.

Thông qua hợp đồng thông minh trên chuỗi, người giải quyết và người xác minh cùng chơi một trò chơi xác minh và người dùng đặt Mã trên chuỗi được sử dụng để xác minh tính xác thực của câu trả lời của cả người giải và người xác minh. Bên đúng sẽ nhận được hoa hồng và bên kia cần trả phí gas do toàn bộ quá trình xác minh tạo ra.

TrueBit cũng đã thiết kế cơ chế jackpot để duy trì môi trường sinh thái của trình xác thực. Hệ thống sẽ chọn ngẫu nhiên một số giao dịch và yêu cầu người giải đưa ra cả câu trả lời đúng và câu trả lời sai (câu trả lời sai), một trong hai sẽ lên mạng yêu cầu xác minh. Khi lỗi buộc được người xác minh xác minh và thách thức, người giải quyết Không cần phải chịu hình phạt. Một phần nhỏ hoa hồng từ tất cả các giao dịch sẽ được rút vào quỹ tiền thưởng để trả cho những người xác thực thành công trong thử thách trong cơ chế jackpot.

3 vẫn đang được triển khai và đang dần được triển khai

có sẵn Trong số ba cách triển khai tính toán ngoài chuỗi đã được xác minh, chi phí tính toán của zk-SNARK tương đối cao do tồn tại các cài đặt đáng tin cậy được khởi tạo, nhưng sau khi hoàn tất cài đặt đáng tin cậy ban đầu, cả độ khó chứng minh và độ phức tạp của việc xác minh đều tăng rất thấp; Hai thuật toán zk-STARK và Bulletproofs không yêu cầu khởi tạo cài đặt đáng tin cậy và chi phí tính toán tương ứng thấp, nhưng độ khó chứng minh và độ phức tạp xác minh cao, đây là một hạn chế trong ứng dụng của chúng.

Từ góc độ bảo mật, điện toán ngoài chuỗi dựa trên khuyến khích dựa vào ít nhất một người trung thực trong hệ thống Dựa trên giả định của người tham gia, kẻ xác minh độc hại có thể thách thức từng bước tính toán bằng cách gửi câu trả lời sai, cho phép tất cả nhiệm vụ đi qua liên kết "thử thách" trên chuỗi, ảnh hưởng đến tốc độ chung và hiệu suất bảo mật của hệ thống.

Nhược điểm của cách tính toán ngoài chuỗi kiểu "bao bọc" là nó dựa vào TEE. Ví dụ, SGX (Software Guard Extensions) của Intel, một công nghệ cho phép bộ xử lý Intel tạo ra một "hộp đen nhỏ" dưới dạng TEE, đã không hiệu quả trước khi bị tin tặc tấn công.

Hiện tại, nhiều giải pháp điện toán off-chain đã đạt được kết quả hoặc đang được triển khai. Ví dụ: sau khi Monero triển khai thành công Bulletproofs Khối lượng giao dịch giảm đáng kể; Ethereum sử dụng zk-SNARK trên mạng thử nghiệm và TPS dự kiến sẽ đạt 500; StarkWare, dự án đầu tiên dành riêng cho việc triển khai zk-STARK, cũng đang được thử nghiệm.

Lưu ý: Giá trị thị trường của token và số lượng người theo dõi trên Twitter tính đến ngày 20 tháng 7 năm 2019.

Điện toán ngoài chuỗi đang đi vào tầm nhìn của các dự án lớn và sẽ nhận được sự phát triển và ứng dụng hơn nữa trong tương lai . Với nhiều tính năng tuyệt vời khác nhau, điện toán ngoài chuỗi đã thu hút thành công sự chú ý của tất cả các bên. Ví dụ: Zcash và Menero đã lần lượt triển khai zk-SNARK và Bulletproofs. Các nhà phát triển cốt lõi của Ethereum đã công nhận hiệu suất của zk-SNARKS về mặt mở rộng và sẽ sử dụng nó trong tương lai Kế hoạch mở rộng điện toán ngoài chuỗi của công nghệ này có thể được mở rộng cho toàn bộ Ethereum.

Chào mừng bạn tham gia cộng đồng chính thức của BlockBeats:

Nhóm Telegram đăng ký: https://t.me/theblockbeats

Nhóm Telegram thảo luận: https://t.me/BlockBeats_App

Tài khoản Twitter chính thức: https://twitter.com/BlockBeatsAsia