我們基于欺詐證明（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）可擴展性解決方案。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。

背景

最近幾個月出現了幾個旨在解決以太坊可擴展性問題的項目（諸如Truebit，Gluon Plasma，dFusion，Roll-Up和Ignis等），它們都是基于證明的。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（例如哈希）來代表新的狀態。

上述提到的項目都是L2解決方案：它們定義了一個在1層（L1）上運行的協議（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不了解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于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數據的正確狀態，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）與我們證明了什么（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，并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，并且更適合可擴展性受限的環境。這些協議的主要缺點源于它們的交互性：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 ——在線（活躍），并允許其他方通過各種方式中斷對話。但問題的核心在于協議將沉默（即沒有對新狀態發起挑戰）解釋為默認的同意。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：由于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范圍 ——爭議時間段（Dispute Time Frame，DTF）—— 對此錯誤狀態提出異議。該時間窗口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能合約，并且被發現是正確的（即，在DTF內提交，并且確實證明了狀態轉換是錯誤的），則至少會導致智能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，用戶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發送到智能合約。只有在驗證為正確后，智能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，這會影響可擴展性。

51％Attacks

在眾多可能的攻擊中，我們這里主要關注L1上的51％攻擊。我們最近看到這種攻擊事件不斷發生，包括對以太坊經典的攻擊。欺詐證明和有效性證明如何抵御此類攻擊呢？

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創建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，他們將添加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。

·然后，他們繼續將鏈擴展到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％的哈希值。

·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于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，根本問題在于，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。攻擊者偷走資金后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，并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范圍僅限于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，賣方可能會很樂于去逆轉一個事后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

鑒于這些明顯的缺點，為什么很多項目（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于昂貴和繁瑣。

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展性；本質上，當前這種重放在L1上仍在進行，大家已經了解其對可擴展性的限制。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數）。

Ignis / Roll-Up都依賴于需要可信設置的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的可擴展性解決方案），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。憑借其快速的驗證時間，簡潔的驗證和無信任的設置，STARK將是生產級有效性證明的有力手段。