Экстремальная честность в децентрализованном мире

• К. С. Льюис сказал, что честность — это «делать правильные вещи, даже когда никто не смотрит».
• Передовая криптография позволит блокчейну управлять всеми данными в соответствии с этим идеалом .

Я занят решением проблемы, которая не требует решения. Так часто говорят люди, когда узнают, что я ушел из университета, чтобы работать в блокчейне.

Конечно, здравомыслящий ученый должен знать лучше, чем поддаться этому безумию! Сразу скажу, что из университета меня привлекла убежденность в том, что блокчейн будет значительно расти, и вера в то, что я могу обеспечить его вычислительную целостность в больших масштабах, вооружившись только математическими исследованиями. Более того, это не абстрактный прогноз: я являюсь соучредителем StarkWare , где мы с коллегами создали ряд передовых технологий блокчейна на основе этой математики.

Причина смены карьеры заключалась в том, что я хочу увидеть, как блокчейн принесет что-то, что кардинально изменит условия жизни человека. Я хочу, чтобы она заменила централизованные институты, которые являются посредниками во всех наших финансовых транзакциях, новой системой, более прозрачной, справедливой и демократизированной, работающей с тем же уровнем добросовестности , который обещают основные финансовые корпорации (или даже с повышенным уровнем честности).

Великий К. С. Льюис, который подробно писал о честности и других высоких ценностях для взрослых — и через своих детских персонажей в «Хрониках Нарнии», — уловил силу слова «честность». Он определил это как «делать правильные вещи, даже когда никто не смотрит». Это именно то, на что я надеюсь, если кто-либо будет иметь дело с моими средствами или любыми расчетами, связанными с ними: что все будет соответствовать стандартам того, что я называю вычислительной целостностью.

Ученые-компьютерщики стремились к этому задолго до появления блокчейна, хотя и использовали другой язык. В основополагающей статье 1991 года четыре ученых-теоретика — Ласло Бабаи, Лэнс Фортноу, Леонид Левин и Марио Сегеди — предсказали ситуацию, в которой «один надежный ПК может контролировать работу множества суперкомпьютеров, работающих с, возможно, чрезвычайно мощным, но ненадежным программным обеспечением». и непроверенное оборудование». Перефразируя проблему формулировкой Льюиса, я хочу убедиться, что когда дело доходит до множества вычислений, облегчающих наши финансовые операции, всегда делается «правильно».

Но некоторые очень серьезные деятели выдвинули аргумент, который важно учитывать, что блокчейн — это изменение ради изменения — что он не приносит большой пользы; что текущая система в порядке, и «если она не сломана, не чините ее». Этот аргумент и нынешняя система, которую он поддерживает, заслуживают рассмотрения здесь.

1. Авторитетные доверенные лица играют в повторяющиеся игры

За прошедшее столетие мы привыкли к доверенным учреждениям, таким как банки, которые обрабатывают и санкционируют наши финансовые операции. Сегодня существует широкий спектр таких учреждений, включая Visa, SWIFT и множество бирж.

Положительным моментом является то, что эти учреждения берут на себя тяжелую работу и головную боль, связанную со всеми вычислениями и ведением документации. Основным недостатком является то, что мы все должны полностью доверять им, без какого-либо собственного контроля. Почему мы должны соглашаться на это в эпоху, когда технологии предвещают гораздо более прозрачное решение, а именно блокчейн?

Нобелевский лауреат по экономике Пол Кругман дает интересный ответ. Он говорит, что уже существует «технология», которая позволяет широкой общественности быть уверенной в том, что доверенные учреждения действуют добросовестно.

Он творчески использует слово «технология», говоря о репутации. «Один из способов думать об этом — репутация — это технология», — сказал он. «Мы решаем множество проблем в экономике, превращая то, что могло бы быть одноразовой игрой, в которой люди буквально берут деньги и убегают, в повторяющиеся игры, в которых у людей есть стимул вести себя хорошо в этот период, чтобы вы доверяли их на следующий период и так далее в будущем».

По его мнению, банки и другие доверенные учреждения служат нам хорошо. Сторонники перехода к криптовалюте говорят: «Давайте отбросим социальную технологию повторяющихся игр и репутации и попробуем построить систему, которая будет работать исключительно на основе алгоритма, который гарантирует, что у нас есть то, что нам нужно».

Это важный аргумент, но, на мой взгляд, он не выдерживает критики. Блокчейн предвещает слишком много обещаний, чтобы их можно было отвергнуть. И это просто неправда, что сегодняшняя ситуация служит нам во благо. Если банки являются воплощением надежного учреждения (и некоторые могут оспаривать это утверждение), давайте помнить, что по крайней мере около 1,7 миллиарда взрослых во всем мире до сих пор не пользуются услугами банков .без доступа к банку или финансовому учреждению. Они медленно открывают для себя криптовалюту. В Африке 1,4 миллиона человек владеют криптовалютой, и эта цифра постоянно растет. Кроме того, еще несколько десятилетий назад почти все финансовые операции между людьми и малым бизнесом совершались без посредничества банков. Современный переход к электронным деньгам направил почти все транзакции через небольшую группу слишком крупных, чтобы обанкротиться организаций, что позволило им получать огромную и незаслуженную прибыль. Итак, на мой взгляд, существующая система доверенных учреждений оставляет место для значительного улучшения с помощью блокчейна.

2. Используйте блокчейн как есть

Блокчейн открывает совершенно новый мир финансовых транзакций. Он основан на идее «распределенных реестров», а не на доверенных учреждениях. Эти регистры достигают вычислительной целостности благодаря тому факту, что они широко распространены и тщательно изучаются. Другими словами, транзакции проверяются не банкиром или другой «доверенной» стороной, а скорее числом.

Это значительный прогресс. Так почему же я не могу удовлетвориться этим и принять блокчейн таким, какой он есть, не желая менять то, как он работает?

Ответ заключается в том, что на пути блокчейна стоит большое препятствие — его необходимо масштабировать. Блокчейны обычно могут обрабатывать от 10 до 15 транзакций в секунду, а это означает, что они просто слишком малы, чтобы стать повсеместными.

Большинство людей не знают о кризисе масштабирования блокчейна, но на самом деле он затрагивает всех. В конце концов, почему мы не видим разработки криптоприложений для повседневного использования и не предоставляем нам технологии, которые позволяют обычным людям в полной мере использовать возможности блокчейна? Когда блокчейн напрягается под тяжестью текущего спроса, что делает его медленным и увеличивает комиссию за транзакции до небес, ситуация не способствует инновациям, от которых мы все выиграем. Когда масштабирование создаст передышку в блокчейне, мы увидим строительный бум крипто-приложений.

Давайте рассмотрим основные моменты системы, чтобы понять, что мешает масштабированию блокчейна.

Блокчейны на самом деле устанавливают целостность так же, как вы делаете это с официантом в ресторане. Он или она предъявляет чек с заказанной вами едой, беря на себя роль «доказательства». Вы проверяете вычисление, делая себя «верификатором», и вы проверяете целостность вычислений, наивно повторяя те же вычисления, что и доказывающие. Отныне вы устанавливаете целостность путем «наивного воспроизведения».

Блокчейны работают аналогично. Каждая транзакция, отправленная в блокчейн, рассматривается как чек ресторана, и каждый узел блокчейна должен проверять эти транзакции, наивно воспроизводя их вычисления. Положительным моментом этого является то, что не нужны «доверенные стороны»: если кто-то обманывает, каждый узел видит.

Недостатком является то, что многие узлы выполняют много вычислений. Более того, эта модель с большим количеством вычислений также ограничивает масштаб блокчейна с его низким потолком транзакций в секунду. Это можно было бы исправить, если бы было решено, что все машины в блокчейне должны быть суперкомпьютерами с большим количеством ядер и огромным дисковым пространством. Но это быстро сделало бы блокчейны похожими на старую систему, которую они стремились разрушить, заменив банки небольшим набором суперкомпьютеров и управляющих ими компаний. Чтобы предотвратить это, ключевым принципом действительно децентрализованных блокчейнов является всеобъемлющая подотчетность, которая гласит, что вы или я должны иметь возможность использовать наши скудные ноутбуки для проверки целостности всей цепочки блоков.

Таким образом, великая сила блокчейна, тот факт, что ведение записей абсолютно надежно благодаря инклюзивному характеру проверки их целостности, достигается за счет пропускной способности. В том же ключе демократия, в которой каждое решение принимается на референдуме, обеспечивает очень инклюзивный процесс, но требует больших затрат времени, энергии и пропускной способности.

Вот почему в блокчейн-сообществе существует недовольство и огромный интерес к решениям для масштабирования. В оживленном дискурсе о том, как лучше всего это сделать, моя команда и я известны как ярые сторонники масштабирования, но ярые противники любых компромиссов в отношении безопасности, скорости или других преимуществ, которые в настоящее время связаны с блокчейном. Идея StarkWare заключается в масштабировании при сохранении полной вычислительной целостности.

Вопрос о том, как именно масштабировать блокчейн, многим сегодня покажется неактуальным. Но, как и другие важные инфраструктурные решения в обществе, такие как то, как мы организуем демократию или структуру налогов и систем социального обеспечения, вероятно, окажут значительное влияние на всех нас.

3. Вы слишком усложняете — просто доверьтесь чипу

Разве решение не смотрит нам прямо в лицо? Блокчейны освобождают нас от необходимости доверять управляемым людьми организациям, таким как банки. В этом духе, если мы хотим масштабировать их, возможно, мы можем сделать это без участия человека и довериться аппаратному обеспечению.

Микросхемы, называемые доверенными средами выполнения (TEE), предлагают такое решение. Если вы хотите записать много транзакций в блокчейн, передайте все их входные данные в TEE, который выдает подписанный ключ, который записывается в цепочку и подразумевает, что TEE обработал все их правильно. Таким образом, узлам цепочки нужно проверять не длинные вычисления, а короткие подписанные ключи, которые подтверждают целостность многих транзакций. В цепочку добавляется меньше данных, требуется меньше вычислений для проверки целостности, и благодаря этому блокчейн можно масштабировать без необходимости замены ноутбуков, которые его проверяют, суперкомпьютерами.

Это решение звучит идеально, но это не так. Предположим — и это не всегда так, — что чипы спроектированы и изготовлены по самым высоким стандартам, а безопасность настолько высока, насколько мы можем надеяться. Тем не менее, каждый чип опирается на секретный ключ, который физически спрятан внутри. Извлечь этот ключ чрезвычайно сложно и дорого, но если это принесет огромные выгоды, всегда найдутся люди, которые попытаются. Подчеркнем, что как только чип TEE отправляется в дикую природу, он больше не находится под контролем производителя и может попасть в руки злоумышленников вместе с секретным ключом, на котором основана его безопасность. Это означает, что даже если атака нежизнеспособна сейчас, она вполне может стать жизнеспособной через год или два, и тогда система будет скомпрометирована.

В 2010 году бывший специалист по военной безопасности США Кристофер Тарновски обнаружил уязвимость в «невзламываемом» чипе Infineon SLE66 CL PE. Он использовал электронный микроскоп, кислоту и другие инструменты. Хотя это не предметы домашнего обихода, они, безусловно, находятся в пределах досягаемости любого, кто хочет скомпрометировать финансовую систему.

По мере развития технологий развиваются и технологии для злонамеренного использования, и можно с уверенностью предположить, что взломать эти чипы станет проще и дешевле. Чем выше ценность транзакций, зависящих от их использования, и чем ниже стоимость их нарушения, тем выше будут стимулы.

4. Доверяйте математике

Идеальная ситуация для блокчейна заключается в том, что его узлы должны быть в состоянии поручиться за все , что добавляется в цепочку, но делать это с минимальными вычислительными усилиями. Если эта комбинация будет достигнута, это означает, что у них будет возможность добавить больше элементов в цепочку, и блокчейн может быть значительно расширен.

Исследовательская ветвь, на которой я сосредоточен, позволяет одной математике генерировать «доказательство», подтверждающее целостность многих транзакций. Вместо того, чтобы отправлять эти транзакции для проверки всеми узлами сети, один доказывающий обработает их и отправит краткое доказательство целостности своих вычислений в блокчейн.

Разговор о доказательствах звучит абстрактно, поэтому давайте будем более конкретными. Это протоколы, предназначенные для того, чтобы убедить любого, кто их наблюдает, в том, что рассматриваемые утверждения верны, так же, как публичный и прозрачный протокол, проводимый в суде, предназначен для того, чтобы убедить нас в том, что справедливость восторжествовала. Система доказательств, которую я изобрел, STARK, требует, чтобы доказывающий представил доказательство, которое представляет собой аннотированный журнал выполненных вычислений, чтобы подтвердить целостность многих тысяч транзакций.

Чтобы верификатор мог проверить правильность вычислений, нет необходимости ни повторять вычисления, проведенные проверяющим, ни читать представленный журнал. Скорее, верификатор проводит случайную выборку записей из этого журнала — несколько килобайт — и числовые шаблоны в этих выборках предоставляют всю информацию, необходимую для подтверждения вычислительной целостности. Если вычисление действительно, и только если оно действительно, верификатор сочтет доказательство законным и согласится принять транзакции в блокчейн.

Не существует аппаратного обеспечения, которое можно было бы взломать, есть только опубликованные, рецензированные и публично изученные математические расчеты и их реализация в общедоступном программном коде. Только это программное обеспечение проверяет доказательство, и вычислительная целостность сохраняется, даже если доказательства создаются злоумышленниками с использованием неисправного оборудования.

Я давно мечтал использовать «истину» математики, лежащую в основе этих замечательных систем доказательств, чтобы позволить людям чувствовать себя более уверенно в системах, управляющих современной жизнью, включая финансовые системы, но не ограничиваясь ими. Системы доказательств STARK делают истину такой же незыблемой, как и законы природы. Подобно тому, как гравитация прижимает объекты к земле, доказательства STARK выталкивают вычислительные «примеси» на открытое пространство.

Теоретические предшественники систем STARK активно изучались с 1980-х годов, но первоначальные конструкции были слишком неэффективны для использования на практике. Целое десятилетие моей исследовательской карьеры было посвящено преодолению этого барьера, сначала теоретического, а затем практического. И я не был уверен, как именно я буду применять свои исследования в «реальном мире». Это не было исследование, предназначенное для блокчейнов, но в 2013 году я посетил биткойн-конференцию в Сан-Хосе, и до меня начало доходить, что это идеально подходит для их задач. Сегодня математическое масштабирование блокчейна быстро развивается благодаря усилиям многих отличных команд (яркими примерами являются Zcash, Aztec, The Matter, Hermez и Miden), и у меня есть волнующий опыт работы с блестящей командой в StarkWare, которая не только воплощает наши исследования в жизнь,

Одним из таких недавних нововведений является StarkNet , открытая сеть, позволяющая увеличить пропускную способность для всех разработчиков программного обеспечения, использующих Ethereum. Сегодня любой может использовать его для развертывания любого «смарт-контракта» — термин, используемый для компьютерных программ, работающих на блокчейне. И любой пользователь может отправлять транзакции в эти смарт-контракты. StarkNet — это лишь одно из нескольких решений, использующих математические и криптографические доказательства для проверки целостности блокчейнов, формируя класс решений масштабирования, называемых Validity Proofs.

5. Оптимистичный подход

Существует еще один интересный подход к масштабированию блокчейнов, основанный на доказательствах мошенничества, а не на доказательствах достоверности. Как и подход STARK, подход Fraud Proof освобождает узлы блокчейна от необходимости выполнять «наивное воспроизведение» для каждой транзакции, создавая пакеты транзакций, которые оптимистично предполагаются правильными. Все необработанные входные данные, необходимые для проверки транзакций, загружаются или «свертываются» в блокчейн, что приводит к тому, что мы называем оптимистическими свертываниями.

В системах, основанных на Fraud Proofs, узлы Optimistic Rollup отслеживают обработанные транзакции и могут бросить вызов, если возникнет проблема с предлагаемым обновлением блокчейна.

Если это происходит, и вызов правильный, неточные вычисления признаются недействительными, а часы возвращаются к последнему моменту, когда все эти узлы соглашаются, что все вычисления действительны (нарушившая сторона платит штраф, а обнаружившая сторона получает вознаграждение). ).

Оптимизм ведет к эффективности. Поскольку транзакции считаются действительными, на каждую из них тратится мало вычислительных ресурсов, а это означает, что защита от мошенничества, по-видимому, хорошо подходит для среды с ограниченной масштабируемостью.

Но оптимизм может иметь катастрофические последствия, если он ведет к неизменной бухгалтерской книге, содержащей ложное утверждение, будь то в результате ошибки или злого умысла.

Если неправильное состояние либо действительно упускается из виду, либо пропускается из-за того, что злоумышленнику удается заставить замолчать пользователей, которые пытаются сообщить о мошенничестве (путем организации так называемых атак типа «отказ в обслуживании»), оно может в конечном итоге быть записано в блокчейн без каких-либо исправлений. . Это означает, что известное ложное утверждение (например, «Эли Бен-Сассон теперь является владельцем всей криптовалюты в мире») может быть принято за истину. Оптимистичные свертки выделяют временные рамки — задержку оспаривания (DTD) — для оспаривания состояния до того, как оно будет считаться завершенным в блокчейне, и чем длиннее DTD, тем безопаснее должна быть система.

Конечно, можно порекомендовать очень длинный DTD, но каждый час DTD — это час, на который откладывается окончательность транзакции — ее запись в виде неизменяемой записи в блокчейне. В настоящее время системы Optimistic Rollup, проходящие тестирование, предлагают использовать DTD в одну неделю. Пользователи должны ждать так долго, например, чтобы вывести активы, такие как фонды или NFT. Альтернативную ликвидность могут предложить им «поставщики ликвидности», хотя это похоже на получение займа у кредитора до зарплаты — затраты высоки.

Я доверяю описанному выше подходу STARK Validity Proof, а не Fraud Proofs, потому что он обеспечивает масштабирование блокчейна без DTD и проверяет каждую транзакцию вместо того, чтобы полагаться на оптимистичные предположения. Этот подход также соответствует основному принципу блокчейнов, который гласит: «Проверяй, не доверяй».

Понятно, что блокчейн будет определять наше будущее, но также ясно и то, что для полного раскрытия своего глобального потенциала блокчейн должен масштабироваться. Выяснение того, как сделать это с вычислительной целостностью и без ущерба для основных принципов блокчейна, является одной из самых больших современных задач.

Поскольку наша команда ежедневно получает сообщения от людей со всего мира, которые экспериментируют со StarkNet, выполняя контракты, которые работают с абсолютной честностью с использованием STARK, я думаю о том, куда нас приведет этот проект.

Около 15 лет назад у нас было ощущение потенциала приложений для смартфонов, но мы не могли представить себе разнообразие применений, диапазон преимуществ, которые они принесут, и социальные и экономические изменения, которые они откроют. Вот где мы находимся сейчас с блокчейном, и масштабирование — это недостающее звено, которое означает, что потенциал блокчейна может быть реализован и испытан всеми.

Это почти наверняка будет означать доступ к финансированию для тех, кто не имеет доступа к банковским услугам, и больше возможностей для них, но это также может вдохнуть новую жизнь в искусство и дизайн с помощью NFT и дать ведению медицинской документации то обновление, в котором оно отчаянно нуждается перед следующей пандемией. Развернутый для избирательных систем, он может упростить их использование для более тонкого управления правительством, чем массовое голосование раз в четыре года, и в битве за защиту наших личных данных и записей он может быть преобразующим.

Но я почти уверен, что через десятилетие или два я буду размышлять о больших достижениях, которые блокчейн смог обеспечить после масштабирования, и это будет что-то совершенно неожиданное — то, что я пока даже не могу себе представить. И именно поэтому работа в области инноваций одновременно захватывающая и чрезвычайно унизительная, поскольку мы ждем, чтобы увидеть, чего другие добьются с технологиями, которые мы помогли раскрыть.