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一种基于分布式共识系统的介绍
简介:我们所称的分布式共识,是指一种广义开放的分布式系统概念,其中涵盖了每种封闭这个分布式安全系统后带来的影响.我们通过探索封闭的分布式系统共识及其失效模型后的案例.进行研讨.
我们构建智能节点传送协议,这说明在对抗性智能节点存输协议下,其收敛性是存在的,这取决一个像攻击-抵抗压缩函数.
我们回顾一下比特币协议.我们证明了比特币协议的收敛性结果通过定义前瞻性元素全序列集上决策的.
我们通过研究比特币的网络安全性.假设一个安全的系统需要消耗很多资源很多钱来进行攻击,一美元在网络运行成本(安全系数).我们计算攻击比特币网络作为一种追示资源费效比的经营性网络,估算其成本.我们通过假设比特币攻击的情况下,估计一个成功的攻击行动所需要的资源.计算表明攻击比特币的网络成本一半以上是受其成本约束的.我们可以假想可以出现的攻击场景,这些表明一个比特币的攻击行为是有巨大利益所图的,突发性的,而主要受影响的是机构持有者而不是普通的散户.
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我们通过研究促使这种比特币系统上这种有利可图的攻击的动机,研究是什么因素导致攻击难度及成本的变化,增加其攻击成本,减少这种攻击次数.
我们认为：
对于比特币攻击的利润是基于比特币期权市场的流动性显著相关.
哈希计算的难度为矿池挖掘或多或少的提供了攻击所需资源.
KNCminer矿机能够制造出很多哈希计算小于2000000美元专用集成电路板.而专用的集成电路导致,攻击成本的下降.
云哈希则减少了成功攻击所需要的资源.
由于攻击者有能力采购矿池,从而大大降低了攻击所需要的资源成本.在矿池中,用户们争先竞争,压低矿池费用几乎为零.导致购买现成的矿池,比采购挖矿机器还合算.
黑客的攻击成本因在矿池中散列的不断的集中化而降低.
成功的比特币攻击,会导致比特币价格随着攻击成本进一步走低,
资源成本的下降导致攻击成本也不断下降.从而一次成功的攻击的利润不断增加.因此,在未来一个灾难性的比特币双支付攻击可能性不断加大.
但是,我们不相信这种攻击在比特币将有什么实质性影响.如果一个有利益的51%攻击,只表明只会影响到几十个比特币.
机构则承受数亿损失.开发商只会发布补丁和检查区块链,剥夺攻击者的不当得利.
更有危险的是协议本身存在数学缺陷.
我们研究证明不同方法和尝试提高对网络攻击的成本难度.证明权益证明法并不能消除重复支付攻击,但与比特币相比会显著增加攻击成本.
为了获得一个更加完美的数学体系,从面弥补比特者币漏洞,我们确定了一些原则,我们认为,一个理想的系统应当有如下:
我们假设
越高的利润,越会激励攻击事件的发生
唯一的安全的方法是攻击不经济.
如果潜在的攻击有利益,那么,它迟早都会发生.
我们假设攻击一个安全系统所需资源要远大于防守.
一个安全的系统应消除或是减少攻击带来的物质奖励.安全应侧重于阻止攻击的利润动机,将危机扼杀于萌芽状态.
在一个小范围内的失败是可能的,商家及用户都要适应.(钱包被盗,丢失邮件,扣款,支票不能兑付).相反黑天鹅事件,如资源密集性攻击将造成系统的不稳定及数十亿美元的损失.
很多问题,都是一些系统的小故障,影响机构的使用.信任和安全的基础来源于尽量减少(如钱包被盗)这种事情发生,但是灾难性的失败不应由控制系统的数学规则所允许.
将攻击的费效比做为震慑攻击行为的武器,,将100%成功率降为50%.
如果早先的攻击资源不能重复利用,那么将会降低攻击的意愿.
如果能保证后续攻击成本不断升高,那么系统将会变得更安全.
一次攻击所需要的资源应当是内部稀缺的.
一个攻击所需的资源应该有一个平等的分配。集中资源减少，共谋代理商必须妥协或成功的网络攻击的数量级。攻击需要二百剂之间的勾结比攻击需要三剂之间的勾结更加困难。
一次攻击所需要的资源应到有一个平等分配.不利于集中资源攻击,同谋者必须相互妥协分配网络攻击的数量.攻击需要有两百代理者相互勾结,要比有三个人相互勾结困难多了.
我们表明像比特币那种工作量证明法
一次成功的攻击,会摧毁人们的信心,从而降低价格,同时还会降低随后的攻击成本.一次成功的攻击后,安全水平不断降低.
一个单独的攻击散列可以不断的重复使用,
51%的攻击是所有工作量证明法的数字货币的内在弱点.
为了消除51%的攻击及超越工作量证明法,我们创建了一个基于网页的信任网络,以便更好的实理我们理想中的数学模型系统.
该系统包括一个具有与共他参与协商确定一个区块链共识结点信任关系节点图.社会关系有几个有趣的特性使它们比比特币的工作量证明方案更加安全的方式.
在网络上信任是稀缺的.
可信网络图将为我们反映真实的世界的社会及经济关系.
同行滥用攻击网络不能使这种攻击后的影响反复使用.为为滥用资源导致的信用破产提升了攻击的网络成本.
不同节点之间影响是不同的,但是比比特币低.而不是只需要在三个矿池之间相互勾结,成功的攻击需要在社区成员和成百上千的利益相关者之间相互勾结.更的权力分散在个人与机构之间,需要更有难度的组织进攻.
公共与自身影响的一种模式为,哈希功效无限积累.利益相关者可以单独和集体影响网络关系,使网络攻击者之间保持功率平衡,这不同于工作量证明法.
可以成功地的攻击网络节点的子集,可计算.需要对网络狙击的难度和公共资源分布进行.
网络中有影响的成员的决定是公开化的,这将允许更多的思考,及社会公众的监督.理论上51%的攻击的可能性将被忽略,即使精心策划了一个庞大的超级网络中的节点,也起不了多大作用.
建议实施的系统被称为”方尖碑”,那是另一个白皮书所描述的.加密货币建立在所谓的”天空币方尖碑”之上.
方尖碑防御了几种51%攻击方式.
增加攻击成本
确保攻击所需资源要在一个平等的情况下分配.
这将使进攻的成功率变得非常小,即使攻击来源于一个巨大的超级多的节点.
正文
拜占庭将军问题：
拜占庭将军问题来源于一个通信协议学术的思想实验,描述了协议故障传播带来的困难.一帮将军围攻一座城池.将军只能用快递传送消息,进行沟通.每个将军必须当天袭击.如果A将军攻击在第一天,B将军攻击在第二天,则攻城失败.
邮件可能无法到达.
邮件可能到达的顺序
将军是诚实的和打算形成共识的.
这是一个不可靠的模型组成的分布式系统,但是良性的团队.我们称之为:封闭的分布式系统.
由于在拜占庭将军中的内奸希望攻城失败,将竭尽一切可能搞破坏.这种情况下,目标是让所有的诚实的将军来达成相同的共识.
不诚实的将军们可以勾结
消息可能远法送达.
不诚实的将军将把内情泄露给另一个人.
将军们可能不诚实.
不诚实的将军可能伪造其也将领的签名.
不诚实的将军们可能截获和修改其他将领的消息。
这是一个系统性的活跃的攻击模型.我们称这些为开放的分布式系统.这合适的模型比特币及其他我们所感兴趣的.
分布式系统共识：
分布式系统:一个进程发送给对方消息通过通信信道网络.
过程:通过一个计算机程序,接收信息,处理信息,并向其他进程发送信息(姿态,计算,通信).
通信信道:消息在节点之间传动.
共识:在一个分布系统中所有的进程都进行到同一个地方..
标准的拜占庭将军问题
过程是良性的.
过程可以在不可靠的硬件上运行(例如:停电,硬件故障)
过程可以在错误的计算机设备中运行(错误的计算输出.)
在一个不可靠的通信信道通信
这是一个由谷歌等公司所面临的问题，在自己的硬件上运行的分布式程序。
如果谷歌只有自己Gmail数据在一个单一的服务器和服务器崩溃后的一个副本,则数据将丢失.
冗余，数据的副本可以被存储在三个不同的服务器
无法更新所有副本在准确的时间,数据的副本将被分发.
真实世界的例子：
三台服务器，A，B，C保存你的电子邮件每日的拷贝
电子邮件x进入服务器
邮件转发到服务器B和C，B服务器复制
服务器B下降，因为在数据中心发生爆炸，变压器不接收电子邮件X
服务器B在线
邮件到服务器B y
服务器发送邮件的服务器副本B和C.
服务器不接收消息，因为渔船切割海底光缆传输三分之一北美国和欧洲之间的网络带宽。
服务器的硬盘损坏，失去所有的消息
服务器C从服务器B接收电子邮件Y的副本
没有消息服务器（硬盘故障）
服务器B有邮件X和Y
服务器C只有电子邮件Y没有X
用户查询他们的电子邮件数据，这取决于服务器的请求路由，会收到不同的响应。
如果每个硬盘驱动器故障的每一天的概率是0.3%，你有100000个硬盘驱动器将读写失败每小时14次。在一个大型的分布式系统每一次失败都可能发生，将会发生。
共识是，所有的过程最终将得到相同的状态，尽管这些故障的性质。
一个简单的共识算法
服务器之间相互询问邮件情况.
服务器将下载所有没有收到的邮件
封闭的分布式系统：
你依赖硬件和程序。
系统具有容忍失败和不可靠性，但失败是良性的。开放分布式系统：
不同的人控制硬件和程序.其他节点不被信任.
恶意节点正在积极尝试利用系统。
恶意节点的高度智能，上进心强，资金宽裕
恶意节点可以发送任何其他节点的数据。
恶意节点可以相互勾结。
恶意节点可以运行任何程序的任何修改
如果网络中断可以引起的便宜，他们会为了好玩这么做（或是为了利益）
一个封闭的分布式系统对应于上运行的安全值得信赖的服务，业主经营的硬件（如谷歌等公司存储的数据）。失败是良性的。
封闭分布式系统共识的算在帕索斯算法中可以实现.
一个开放的分布式系统对应的服务如比特币和送节点智能，在那里任何人都可以加入和操作网络。故障是由网络恶意参与者积极和有目的的攻击的结果。恶意网络参与者将执行任何有效的攻击，不需要是资源密集型。恶意网络参与者将执行任何攻击是有利可图的而不管资源的要求。任何攻击终会发生,不排除通过数学或阻止资源的要求和激励.
实用算法的共识，在开放的分布式系统是一个非常新的发展。智能输送节点和比特币是最好的两个例子。
在智能送节点分布式共识协议概述：
一致性条件：
在结束的过程中，每个节点应该结束了同一个文件的假设：
至少一个节点具有整个文件
一个网络节点之间有一个通信信道
每个节点有一个列表的哈希值的块（文件段）。
恶意节点可以发送任何数据的算法：
同伴问别人他们有哪些块
同伙可以下载任意块.
同行的散列块禁止同行如果收到的数据没有正确的哈希（表示腐败或坏数据的节点发送）
一致性的条件因为反哈希实现的困难性的.用户不能轻易的产生大量具有正确的哈希(验证条件).如果一个用户可以产生一个字节的字符串与一个给定的散列,用户可能产生无效的块和网络将它们复制.不同节点在结束过程中产生不同文件.
收敛性取决于预图像抗攻击的压缩函数的存在性能。
基于比特币协议的分布式共识综述：
一致性条件：
网络中的每个节点到一区块链的假设：
有一系列的块，每个块根据以前的
任何人都可以创建区块.”锻造”或是”挖掘”.没有什么会阻止不同的人从同一块创建不同的后继块.每个块都可能多个子块(继承)只有一个父块.由此,形成一个块树链.
在一个链中的块被修改成不能没无效块链.每个块取决于前一个块的哈希,修改块将悠 改散列.
块是很难创造(需要有昂贵的哈希操作),如果它的数据的哈希值小于某一值每块才有效.只有N分之一的随机块将有一个哈希小数.建立一个有效的块,最快的方法是随机散列.
产生一个有效的块
算法：
每个节点计算成本难度较大,最难的是:需要在每个区链块中构建树链.更多的散列操作要求产生数链.一个链与更多的”深度”(序列中的多个数据块)将需要更多的工作,产生平均比更少的块链.
只有同伙知道查询节点的相互顺序,下载区块链”更困难”或者是”最长的链”
有一个块链树和比特分配一个值或”各自的链中的块链树”.比特币说最的困对,区块链是共识链.一致性链传在各个节点中传播,直到每个节点上都有链.
比特币分配一个数值或全序来选择一致性,然后传播所带的价值分配选择.这比特币收敛的数学基础.
比特币收敛,因此依赖于几个假设.
在选择一致性的全序列。生产所需的伊恩”的工作或努力诚实”的信号的困难。这就是所谓的工作证明法（总排序，是昂贵的）
一种新的块不能被散列作为一个现有的块相同的产生（散列函数的预图像抗攻击）
比特币实现收敛，但具有以下属性
谁控制了51%的功率谁决定的一致性散列链
人们在一起合谋的哈希功率控制的51%攻击组的一致性.
下一个共识链并不一定是一个更长的版本，目前的共识链。外链可以“叉”早期的一块。
这意味着，比特币变得更安全更分布式哈希功率在基础用户,不安全的散列能力变得更集中。
这是两人的控制21%和51%共同对网络攻击的容易得多，比五人控制10%个相互勾结。
1%的总功率之间的合谋是散列51人5人10%合谋更难。
一个人积累的散列功率51%可以很容易地做秘密传播这多个挖掘池。一个游泳池，长得太大，面临审查和公众的反对，可以轻松地将散列权力使其不出现于公众与池关联。
比特币安全性：
比特币标记有一个直接的货币价值和创造开发非货币系统不受别的财务影响.
货币系统在一个开放的分布式系统的运行，我们应该增加以下假设
如果盗窃一美元的成本低于1美元,那么就会有人偷它.
唯一的安全方法是这种盗窃是种不经济的行为.
因此，一个理想的系统
攻击系统的成本，应大于被保护的货币价值
攻击系统的成本，应该是显着大于其回报率.
在比特币有几个攻击模式，如果用户能安排散列大部分功率控制是非常有利可图的，即使是很短的时间内
攻击者可以买看跌期权的比特币和从事双在一个大的交易所支出的攻击。由此产生的价格冲击会产生非常大的奖励给攻击者。这是日益成为一个有利可图的威胁，在期权市场上.
攻击者可以在银行存款/取款,然后用双重支付法攻击存款交易.他们回撤现有的比特币,和银行还没有收到的比特币.
攻击者可以几个博弈游戏网进行存款/取款,然后用双重支付计攻击存款交易.
攻击者可以存入比特币为交易对像,再购入莱特币恢复保证金交易.这时,攻击者就能持有莱特币和比特币了.
一个现实的袭击可能是:结合上述情况同时发动一个大规模的攻击活动.
在一个人比特币中有几种方法获得必要的攻击资源.
两个最大的采矿池可以勾结,从而获得大多数哈希散列.
最大的泳池池可以秘密开始购买较小的池.已经有一些采矿池所有权改变的案例了.通过大幅降低费直至0%,争夺用户.
黑客可以协调几个矿池,从而使用其资源权成一个双重支付攻击,或者干脆矿池参与攻击,但其会声称自己是被黑客攻击的.
公司以每股1万美元的价格出收200采矿单位,取得大多数哈希率.因此,使用专用集成电路板网络攻击的成本低于200万美元
最大的矿池可以继续其大规模集成电路式的挖掘,以实现收购大多数的哈希率,从而向公众隐瞒事实.
一个大型矿池或者攻击者可能从”云哈希”租一个双重支付一小时的服务资源.按小时租赁攻击资源明显低于51%的攻击,这需要购买专门的设备所需的费用,哈希率.
比特币价格下降可能会导致开采难度降低,二手采矿硬件及廉价的出租散列计算的电力能源可用性不断增加.
一个现实的攻击将大量的伙同其他池,在较小的池内进行黑客攻击,租用云散列资源,使用购买专用集成电路.
比特币的市值大约为6000000000,但是基于KNC矿工数据,攻击比特币的网络成本的硬件商品为2000000的大市场.该公司将设计外包和生产专用集成电路.
比特币攻击网络成本只取决于大多数哈希成本率.如果从一攻击回报大于攻击成本,则网络容易受到攻击.
比特币的网络安全性不依赖于用户的比特币数量,但只有达到大多数哈希成本率.每个处比特币网络,矿工目前收到25美的奖励补贴在创建新的比特币区链块.
如果比特币矿工花费100000000美元/年开采成本，而大多数哈希比特币网络成本(外行没有最新硬件)是51000000美元/年，约100000000美元/年的新比特币将创建补贴矿工.这意味着对于比特币安全乘数小于0.5.花在开采成本确保网络安全的成本是攻击成本的两倍.
这一个直接攻击模式,使用新的挖矿硬件,及过于乐观.一个人不需要自己采购挖矿硬件,要求全额攻击.这是更便宜,买了一个大的挖矿管理库,租赁过剩电力所用于计算散列需要的成本.
同时,攻击者只需要几小时或几天来达成攻击率大多数哈希.矿工们必须365天全天侯的提供安全保障.防御费必须承担比攻击者更长的时间成本.
鉴于这些考虑，比特币的安全乘数可能会显着低于0.5。比特币可能需要很多机枪池开采大量消耗资源维护闪电战式的攻击.
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