GRAND:為什么Polkadot的GRANDPA協議不夠安全？_HLAND幣

本文將討論Polkadot為解決拜占庭容錯問題而提出的共識協議——GRANDPA協議。在本文中，我們默認讀者已經熟悉拜占庭容錯問題，所以我們將直接介紹Polkadot的GRANDPA協議是如何解決拜占庭容錯問題的。首先，我們將簡潔明了地介紹GRANDPA協議的主要內容。然后，我們將討論可能導致GRANDPA協議失效的攻擊方式。最后，我們會就如何解決上述安全漏洞，提出可能的解決方法。

概率確定性與可證明確定性

經由Casper FFG（Friendly Finality Gadget）協議啟發，GRANDPA是一種新的、拜占庭容錯的(BFT)、確定性工具的（Finality Gadget）共識協議。確定性工具（Finality Gadget）是一套經由一定提議機制而最終確定一條區塊鏈上內容的機制。由“確定性工具”最終確認的鏈上內容，具有最終性，即不可逆。

7月29日以來Aave存款總量下降6.4億美元，降幅超12%:8月1日消息，歐科云鏈OKLink多鏈瀏覽器數據顯示，Aave存款總量從7月29日的52.5億美元，下降至46.1億美元，降幅達12.1%。[2023/8/1 16:10:37]

正如Polkadot Wiki上所說：“那種運行純粹中本聰式POW共識協議的區塊鏈，只能達到概率確定性并完成最終共識。”與之相對，像GRANDPA或Casper FFG之類擁有確定性工具機制的協議，則可以為我們提供更強大的保證，稱為可證明確定性。GRANDPA的確定性工具機制帶來的可證明確定性，保證了經過一定共識機制運作之后，那些被最終確認的區塊里的內容將永不可逆。

Polkadot的GRANDPA

Polkadot，是通過一個提名權益證明（NPoS）系統，將BABE用作其區塊生成機制的（BABE，即著名的Blind Assignment for Blockchain Extension，即區塊鏈擴展盲分配）。這個系統使用提名權益證明機制（NPoS），顧名思義，這個系統會通過一個提名過程選出驗證者。在這個區塊鏈系統中，為了從一個普通的參與者變成一個提名者，參與者需要先將其代幣作為抵押品。這之后，這個升級為提名者的參與者，就可以提名他/她認可的節點作為驗證者了。當被他/她提名的驗證者偏離協議，他/她抵押的權益就將被削減，作為懲罰；相反，當被他/她提名的驗證者遵守協議時，他/她也會獲得報酬，作為獎勵。另外值得一提的是，在這個區塊鏈系統中，當選了的驗證者在共識協議中的投票權是同等的。

WSJ：Binance曾試圖聘請Gary Gensler擔任顧問:金色財經報道，據華爾街日報報（WSJ）發文稱，加密貨幣交易巨頭Binance希望在Gary Gensler成為美國證券交易委員會主席之前的幾年聘請他擔任顧問。據華爾街日報援引幣安員工的大量信息，Gensler拒絕了。華爾街日報稱，在2018年和2019年，Gensler擔任麻省理工學院教授時曾努力讓Gensler加入。這些努力包括2018年10月與Gensler、前幣安風投部門負責人Ella Zhang和Harry Zhou舉行的會議。Zhou當時在一家由Binance資助的公司工作。華爾街日報稱，Zhou在當時的一條聊天消息中寫道：“我觀察到，雖然Gensler拒絕擔任顧問，但他在分享許可策略方面很慷慨。”

Binance此前曾聘請其他美國政府官員擔任顧問，其中包括蒙大拿州前參議員Max Baucus。[2023/3/6 12:43:50]

有了GRANDPA（GHOST-based Recursive Ancestor Deriving Prefix Agreement）作為它的確定性工具機制，Polkadot的中繼鏈包含兩個不同的協議，分別對應兩種不同類型的網絡。我們要討論的是第一個協議。這個協議對應的網絡，是部分同步的，并且最多可以有1/3的參與者是惡意的。我們生活中遇到的網絡，通常都是部分同步的。這是一個分布式系統的專業術語，簡而言之，是指：網絡在大多數情況下是同步的，當網絡不同步時，經過一定時間，也會回到同步的狀態（同步也是分布式系統的專業術語，這個可以暫時理解成日常用語里的“同步”）。

元宇宙音效體驗初創公司 Treble Technologies 完成 570 萬美元種子輪融資:金色財經報道，冰島元宇宙音效體驗初創公司 Treble Technologies 宣布完成 550 萬歐元（約合 570 萬美元）種子輪融資，北歐風投 Frumtak Ventures 領投，Nova、財富 500 強公司 Saint-Gobain 旗下風投部門以及一批天使投資人參投。

據悉，Treble Technologies 開發的訂閱軟件平臺可以幫助游戲開發人員在元宇宙虛擬環境里創造仿真聲音，其平臺還能與 3D 建模軟件、設計系統和游戲引擎對接，將音效設計直接融入到開發過程之中，該平臺目前處于封閉測試模式，預計將于 2023 年第一季度全面發布。（businessinsider）[2022/12/6 21:26:34]

關于GRANDPA，值得注意的是：1）只有被確定性工具機制最終確認的區塊能影響區塊的生成  2）可以同時為不同高度的多個區塊投票，這與Casper FFG不同。

美股三大指數收盤漲跌不一，標普500指數跌0.16%:金色財經報道，美股三大指數收盤漲跌不一，納指跌0.59%，標普500指數跌0.16%，道指漲0.01%。[2022/11/30 21:10:41]

本文只討論Polkadot的第一個協議。它專為部分同步網絡設計，不能容忍網絡分區或DoS攻擊。另外值得注意的一點是，該協議假定在未知時間GST之后，網絡變為同步。

每個參與者都存儲一個由BABE產生的區塊樹，這個區塊樹的根區塊是創世塊。參與者可以對樹上的一個區塊投票。如果一個區塊B獲得X票，X票包括了B自己和B的子孫節點的所有票。然后，?-GHOST函數g（S）返回獲得票倉S里絕對多數的區塊中區塊高度最大的那個區塊，記作B。

然后，區塊作者著手確定這個區塊B在票倉S中獲得絕對多數的可能性。GRANDPA協議的論文《Byzantine Finality Gadgets》這樣定義：“我們說，如果至少有2t + 1張票是超額投票（即一個投票者投了多于一張票）或者投給了除B子孫區塊的其他區塊，那么區塊B在票倉S中占據大多數是不可能的；否則，區塊B在票倉S中獲得絕對多數是可能的。”此外，論文還指出，“一個區塊B在一個票倉S里獲得絕對多數是可能的，當且僅當存在一個容錯票倉T，T是票倉S的子集，并且區塊B在票倉T中占絕對多數。”

Crescent完成500萬美元pre-seed輪融資，Anchorage Digital CEO參投:金色財經報道，基于加密貨幣的金融科技初創公司Crescent宣布完成500萬美元pre-seed輪融資，包括Anchorage Digital 首席執行官 Nathan McCauley 在內的一批天使投資人和創始人參投。Crescent旗下現金管理平臺可以幫助企業輕松部署閑置資金，目前可提供USDC支持的投資回報和FDIC支持的投資回報，使企業能夠更有效地使用現金，他們將利用這筆融資擴大用戶群、擴展其功能套件、以及構建自動化集成庫。（streetinsider）[2022/7/6 1:53:39]

這個協議在實踐中會出現以下的幾個問題：

如果我們假設區塊B和C不一致，而t個惡意投票者加1個誠實投票者投票給了B，2t個誠實投票人投給了C，那么根據上述定義，B得到絕對多數是可能的。然而，因為誠實的投票人不會超額投票，所以票倉S里不總是有一個子票倉T使得T里有絕對多數。這就使得GRANDPA無法實現活躍性保證。接下來，我們將詳細介紹這種情況。

假設我們保持相同的情況，以B和C作為在某個回合r中產生的兩個子區塊-也就是說，BABE在此回合經歷一個分叉，并且結果產生了兩個子塊B和C。

在第r輪，t + 1個投票者（所有t個惡意投票者+ 1個誠實投票者）投票給B，其余2t誠實投票者投票給C。因此，對每個投票者i，我們的g（）函數都會從前一個回合的estimate，E_ {r-1，i} [ E_{r,v} 表示投票者v在r輪的一個estimate，這個estimate包含了所有本可以在r輪最終確定卻實際上沒有被最終確定的區塊的信息，詳見論文《Byzantine Finality Gadgets》] 中輸出一個向B、C的一個祖塊。相應地，每個參與者都預先承諾（pre-commit）該祖塊。（值得注意的是，即使是網絡上誠實的節點，也可能由于網絡延遲或異步而出現這種分裂的投票結果。一個誠實節點可以首先接收到區塊B，因此它投票給B。其他誠實節點首先接收到C，因此他們投票給C。）

現在，每個投票者i估計從第r-1輪的E_ {r-1，i}來的祖塊可能是哪個塊。由于C_ {r，i} [ C_ {r，i}表示參與者i在r輪收到的所有預先承諾（pre-commits）] 可能導致E_ {r，i}的任何子級得到多數投票，因此回合r無法完成，整個共識過程失敗。

即使可以通過修正GRANDPA中的語義定義來解決此處討論的問題，我們也可以類似地將在Tendermint協議的討論中提到的那些攻擊用于GRANDPA。最終，我們只能得出結論，GRANDPA協議在上述網絡中不安全。

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