📜 [專欄新文章] 2019 台北以太坊社群回顧
✍️ Juin Chiu
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很快地,2019 年過去了,台北以太坊社群(TEM)也滿 3 歲了,過去一年,TEM 完成了許多重大的里程碑:
舉辦台灣最大的區塊鏈技術研討會 Crosslink
主持台灣開源界最大的研討會 COSCUP 的區塊鏈議程
參加世界最大的區塊鏈技術研討會 DEVCON
Medium 專欄累積 30+ 篇優質文章
Youtube 頻道累積 50+ 個技術演講
在這篇文章中,我們首先來審視 2019 年以太坊取得重大進展的技術:以太坊2.0與零知識證明,接著再回顧 TEM 於 2019 的優質專欄文章。
*本文由 Juin Chiu 與 Chih-Cheng Liang 共同整理
以太坊重大進展
以太坊2.0的信標鏈
對一般大眾最重要最能吸收的事情大概是 Eth2.0 的信標鏈有測試網路了。透過儀表板網站 www.beaconcha.in 可以看見 Prysmatic Labs 團隊的測試網路的動態。細節很多,但本文就只談這張圖最上面有出現的東西。
在 Eth2.0 沒有挖礦和礦工了,取而代之的是抵押以太幣的驗證者(Validator)來成為資料的寫入者。因此也沒有「區塊時間」這個詞了,新協定以 12 秒為一個「時段」(Slot),信標鏈隨機分配驗證者在指定的時間點產出區塊。在 32 個時段的時間,稱為一個「時期」(Epoch),約 6.4 分鐘,信標鏈會處理驗證者的賞、罰、進、出。在儀表板的左上角可以看到 Epoch 與 Slot 的數字,代表距離最早最古老的區塊多久了。
要怎麼成為驗證者呢?首先要在以太坊 1.0 主網路的抵押合約上,送出一筆交易(在信標鏈測試網路則是送到 Goerli 測試網路)。這筆交易會註冊驗證者的公鑰,並且存入押金(在正式網路是 32 ETH ,測試網路則是 3.2 ETH)。送完之後就排隊等待信標鏈激活驗證者,驗證者就需要開始執行信標鏈分配的任務了。在畫面中間可以看到左邊是 27539 個活躍的驗證者,右邊則是有 4623 個排隊進入的。
在這種基於押金的網路,系統的威脅來自於攻擊者買通大量驗證者,送出矛盾訊息,致使於系統不同節點無法取得共識,鏈資料不可挽回的分叉為兩條。因此系統累積的總押金越多,代表攻擊者成本越高。畫面最右上角左邊即為總押金,右邊為平均一個驗證者的餘額。
假期間和親朋好友一起跑一個驗證者節點,是個活絡氣氛的好活動。要做到這件事,目前 Prysm 客戶端有最友善的介面,請點 連結。程式也用 Docker 包好了,免煩惱安裝。
也記得 Eth2.0 協定有 9 個團隊 用不同程式語言實作。例如:有 Python 語言的客戶端 Trinity ,以及 Rust 語言客戶端 Lighthouse。基本上不用擔心找不到自己喜歡的程式語言的實作。
零知識證明
2019 年,零知識證明的理論與應用也突飛猛進,Kimi Wu 剛好寫了一篇很棒的文獻調查。
前年底提出的 zk rollup,目前由 Matter Labs 在開發,Matter Labs更在上個月(2019/12)發表了 ZK Sync,解決了因為產生證明(proof)而延伸的延遲問題。
此外 Iden3 跟 ConsenSys 也有 zk rollup 的專案。在以太坊研究論壇有基於 zk rollup 的一個提案,是可以達到 匿名性的 zk rollup。
Semaphore是一個基於零知識證明的一個訊號系統,發送者可以不揭露身份的狀況下廣播任何訊息(an arbitrary string)。 Semaphorejs 延續 Semaphore 的核心概念,並將整個概念更加完整化,從前端網頁到後端服務。
這兩年才發表的 zk-STARKs,也在去年年初跟 0x 合作,推出基於 zk-STARKs 的 去中心化交易所。
在技術上,去年下半年有新的論文,使用 DARK compiler 可以讓 SNARKs 達到公開性(Transparent)。還有 MARLIN, SONIC, PLONK 等可通用且可更新的可信設定(trusted setup)。STARKs 的 FRI 驗證方式也默默地跟 SNARKs 做結合。(東西越來越多,根本看不完 QQ)
零知識證明在區塊鏈的重要用途就是「擴展」和「隱私」。技術上的進展,一般可以觀察證明方產出證明的時間、證明的資料大小、驗證方驗證的時間、需不需要可信設定、可信設定有什麼限制、以及抵抗量子電腦的能力。
社群專欄優質文章
Crossslink 2019
Crosslink 2019 Taiwan|以太坊 2.0 的未來藍圖及挑戰
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Private key security and protection / 私錀的安全與保護 — Tim Hsu
Crosslink 2019 Taiwan|LibraBridge: 橋接 Libra 與 Ethereum
Aragon Fundraising:下一代的去中心化募資平台
The next generation Ethereum Virtual Machine — Ewasm VM
libp2p — 模組化的點對點網路協議
教學(Tutorial)
一分鐘做出自己的代幣購買App
Web3 Java 開發:用 Geth、Ganache 及 Infura 測試和 Smart Contract 互動
Let’s Capture The Flag! Etheruem CTF Tutorial 從零開始破解智能合約漏洞!
Your First Transaction on Facebook Libra — 動手玩 Libra
ELI5! 區塊鏈到底在幹嘛?
共識協定(Consensus)
Casper FFG:以實現權益證明為目標的共識協定
Casper FFG 與 Casper CBC 的瑜亮情結
若想搞懂區塊鏈就不能忽視的經典:PBFT
密碼學(Cryptography)
Ethereum RNG (RANDAO & VDF)
深入瞭解 zk-SNARKs
瞭解神秘的 ZK-STARKs
隱私性與匿名性(Privacy and Anonymity)
新一代加密貨幣Grin和MimbleWimble區塊鏈解析
Monero.門羅幣 隱匿交易的基礎介紹
隱私、區塊鏈與洋蔥路由
資料可得性(Data Availability)
Data Availability on Ethereum 2.0 Light Node
Fraud and Data Availability Proofs
點對點網路(p2p Network)
連Ethereum都在用!用一個例子徹底理解DHT
針對DHT的花式攻擊與精簡對策
智能合約(Smart Contract)
深入解析Solidity合約
Upgradable Smart Contracts using zos
Reason Why You Should Use EIP1167 Proxy Contract. (With Tutorial)
去中心化金融(DeFi)
DeFi 項目《Uniswap》完整解析(一)Uniswap 是什麼?
解析 DeFi 項目《Uniswap》(二)Uniswap 如何使用?
去中心化身份(DID)
我們與「身份自主」的距離
其他(Miscellaneous)
論言論自由
作為負債的控制
0x 黑客松 — 獲獎作品回顧與分析
技術解析台灣交易所BitoPro駭客攻擊
總結
2019 是個樸實無華但充實的一年,除了在底層技術方面有所進展,在應用方面,例如去中心化金融(DeFi)與去中心化身份(DID),也逐漸獲得大眾的興趣,期待 2020 年區塊鏈能為這世界帶來更多驚奇!
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📜 [專欄新文章] TEM 區塊鏈基礎教育第三階段 — 跨出工程師只會寫 Code 的既有框架
✍️ Phini Yang
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TEM 區塊鏈基礎教育第三階段 — 跨出工程師只會寫 Code 的既有框架
本課程著重在進入區塊鏈產業所需具備的基礎知識。
區塊鏈技術是橫跨多領域所組成,並又接著在各領域知識的基礎上創新。從網路結構的外觀來看,系統以眾多節點以點對點架構組成,相異於主流日常生活使用網路服務的主從式架構。節點間對資料取得共識的機制也須追溯到分散式系統的研究。
在以太坊以來,客製化虛擬機以進行運算也成顯學,這塊又屬於編譯器的領域知識。不論在共識層或應用層,系統倚賴密碼學的工具。最後利用區塊鏈簿記上的資產進行獎勵或懲罰來讓系統參與者作出行動,需要經濟學上的工具。
即使在五年之前進入區塊鏈圈,要能夠一次把這所有的領域接觸過也非容易。這次課程取得在各自領域專精的講者,把每個領域重要的概念提過,並點出與區塊鏈關聯的重點。
目標並非讓學習者能夠完全掌握所有的領域,而是
降低日後自行學習的障礙,知道可以從哪裡開始看
知道哪些領域有學習者自己領域能夠切入合作的缺口
知道各種領域的瓶頸及前沿研究是什麼。
課程的安排除了前述眾領域的介紹,最後有一門「客戶端原始碼分析」,全節點便是整個抽象共識機制的具體軟體實作,有了前面的基礎,看到程式碼會比較知道背後設計的原因。
為什麼從以太坊開始學?
以太坊鏈上的 Dapp ,不論是在數量或是應用的範圍上,皆遙遙領先其他主鏈。各大主流區塊鏈應用的衍生,也是以以太坊為基礎發展而成。 以太坊目前仍是區塊鏈中最具開源文化的生態系之一,技術支援也是所有公鏈中最完整的,有著最豐富的研究者社群與概念創新。
課程時數與費用
課程將分成三階段,每階段授課 12 小時,形式包含講課與實作。
每一階段 12 小時收費 $4,800 元,早鳥票 $3,600,三人團報價 $3,000/1 人。
課程人數最多 30 人為主,最低開班人數 10 人。
🎁 立馬去購票 🎁
https://www.accupass.com/event/1911150750032715966110
❓有任何問題,請聯繫 Phini Yang (Mail)
以下為每堂課程詳細介紹,以供學員理解:
1. 經濟學原理 — 賽局理論/供需 By 梁智程, 以太坊基金會
為什麼要學習這項課程?
區塊鏈無論是底層協議,或是去中心化應用,系統經常需要設計誘因,並假設系統的多數參與者會依據誘因,做出對自己最有利的行動,利用那樣的行動維持系統運作。
要討論、分析、設計誘因,經濟學上已有累積已久的語言與工具。因此我們常會在區塊鏈的文章中看到從古典的供給與需求[1]、共有財的悲劇[2] 、或是較現代的賽局理論、機制設計、拍賣等術語。
這些觀念可能對無經濟學背景的開發者較難掌握。我會試圖在有限時間之內,介紹主要常用的經濟學概念,並點出有運用到這些概念的相關區塊鏈文獻。我們也會介紹到因為區塊鏈特殊的環境,所產生新的機制設計的挑戰以及機會。
這項技術可運用在哪?
要設計區塊鏈相關系統,通常需要理解經濟學相關知識。
課程大綱
1⃣ 經濟學原理
- 供給與需求
- 外部性與公共財
- 區塊鏈範例:區塊鏈運算資源
2⃣ 賽局
基本定義:玩家、報酬、策略、均衡
非合作賽局 vs 合作賽局
3⃣ 機制設計
- VCG 最佳機制設計
- 區塊鏈範例
第二價拍賣的手續費 [3]
賄賂攻擊 [4]、反機制 [5] 與全知識證明 [6]
- 激進市場範例
平方投票
2. 虛擬機 EVM By 戴宏穎 (海帶), Second State
為什麼要學習這項課程?
虛擬機就像是肝臟,雖然是人體中沈默的器官,但沒有這個元件,整個系統就會失去作用。
對於使用者而言,不論是在 Ethereum 上轉 Ether 、部署合約、或者呼叫合約,基本上都不會注意到有虛擬機的存在。可這個無感的存在卻是合約能夠執行的核心關鍵。如果今天沒有虛擬機,那 Ethereum 就無法撰寫 smart contract 、無法執行 DApp (迷戀貓、去中心化交易所等應用)。
這項技術可運用在哪?
除了是設計有執行合約能力的區塊鏈系統中必備的元件外,理解虛擬機也能幫助我們在裡頭進行效能的最佳化與增加新的特殊功能(產生隨機數、進行 hash 運算等)。
課程大綱
1⃣ 深入淺出 EVM
- 虛擬機概論
- EVM 核心元件
- 理解 EVM 內部的運作過程
2⃣ 實作
- 增加一個新的 opcode magic
- 增加產生隨機數的 opcode rand (EVM 的隨機該怎麼做)
3⃣ Eth 2.0
- Ewasm Virtual Machine
3. 共識機制—PBFT/PoS/Casper FFG By 邱駿, UnityChain
為什麼要學習這項課程?
PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)誕生至今已逾 20 年。它的發明源於分散式系統中一個著名的共識難題:拜占庭將軍問題(Byzantine Generals Problem)。PBFT 並不是一個針對全開放環境的共識協定 — 事實上在區塊鏈出現之前,並未出現任何一個針對開放環境的拜占庭容錯共識。區塊鏈的橫空出世啟發了研究人員再度審視 PBFT 這個經典。
PBFT 具有一些與區塊鏈截然不同的特性,這提供了改進區塊鏈一些有用的思路,例如以PBFT為基礎建立的權益證明(Proof-of-stake)模型。儘管在區塊鏈蓬勃發展的今日,PBFT這個經典仍然蘊含許多值得研究人員反覆推敲的巧思,其後續也衍生出非常多新協定,例如 Tendermint / HotStuff / Harmony FBFT 等等。
以太坊對權益證明(Proof-of-Stake, PoS)的研究最早可追朔至 2014 年。從此之後,以太坊研究員們便一直朝「實現基於 PoS 的共識協定」此一目標前進。PoS 共識的設計是一個跨領域且相當複雜的問題,其包含計算機科學 / 經濟學 / 密碼學等面向。以太坊擁有區塊鏈生態系中最跨領域的團隊,對 PoS 的研究可以說是相當透徹。
課程大綱
1⃣ 什麼是共識?
- 什麼是狀態機?
- 為什麼需要共識?
- 為什麼共識這麼難?
- 正確的共識:安全性(Safety)與活躍性(Liveness)
- 共識一定可以達成嗎?
2⃣ PBFT 共識協定
- 協定概論
- 安全性與活躍性分析
- 特性分析
3⃣ PoS 共識協定
- 什麼是砍押金/砍押金條件?
- PBFT 最小砍押金條件
- 為什麼 PoS 這麼難設計?
4⃣ Casper FFG
- 協定
- 特性分析
- 改進 PBFT
- 與 Eth 2.0 整合
4. 密碼學原理 — 橢圓曲線/零知識證明 By 吳偉誠 (Kimi), UnityChain
為什麼要學習這項課程?
隱私在現今世界越來越受重視,但是區塊鏈上任何的交易都是公開透明的,要如何在使用區塊鏈的同時又享有隱私,零知識證明是目前最好的解決方案。
這項技術可運用在哪?
零知識證明除了使用在隱私外,也能有效率的驗證資料,進而提高交易速度。
課程大綱
1⃣ 橢圓曲線簡介
2⃣ Shamir’s Secret Sharing 介紹與應用
3⃣ 零知識證明
- 零知識證明簡介
- zk-SNARKs
- 零知識技術的應用與比較
4⃣ 手把手實作
- circom 語法及指令
5. 點對點 p2p 系統 By 賈脈瑄, 以太坊基金會
為什麼要學習這項課程?
區塊鏈本身基於點對點(Peer-to-Peer, 簡稱 P2P)網路。大家都知道共識層的重要,但常常沒意識到網路層的安全也很重要。
P2P 網路的術語及概念本身也很分散,經常散落在網路各處難以系統化的學習。不同的使用情景造就了不同的設計,近年區塊鏈興起,也帶起了和區塊鏈有關的 P2P 系統研究。這門課會帶過 P2P 系統中常用及重要的設計與理由,並介紹區塊鏈系統們怎麼應用這項技術。
這項技術可運用在哪?
實作去中心化網路,譬如區塊鏈網路。不同區塊鏈可以設計特化且有效率的 P2P network。
課程大綱
1⃣ P2P networking 基礎
- 歷史背景
- Overlay
- Requirements for p2p networks
- Unstructured networks
- Structured networks: DHT
- Gossiping
2⃣ 區塊鏈的 P2P networking
- Difference from the classical p2p networks
- Cases study
・Ethereum or Bitcoin
・Ethereum 2.0
- Library: libp2p
6. 客戶端(Geth)原始碼分析 By Miya Chen, AMIS
為什麼要學習這項課程?
Ethereum 擁有非常活躍的開發生態系,以 go-ethereum 為例,透過分析原始碼更加了解 Ethereum 協議運作過程。
這項技術可運用在哪?
根據自身需求客製化模組邏輯,例如:修改 miner 打包 transaction 的順序。
新增 RPC API,例如:subscribe API。
記錄額外的 blockchain 資料,例如:每一個 block 其所有 account balance 和 storage 的差值。
課程大綱
1⃣ Geth 架構介紹
2⃣ 理解 tx pool 運作過程
3⃣ Event subscription 的實作
4⃣ 手把手實作: 客製化 tx pool
課程時數與費用
課程將分成三階段,每階段授課 12 小時,形式包含講課與實作。
每一階段 12 小時收費 $4,800 元,早鳥票 $3,600,三人團報價 $3,000/1 人。
課程人數最多 30 人為主,最低開班人數 10 人。
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📜 [專欄新文章] 隱私、區塊鏈與洋蔥路由
✍️ Juin Chiu
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隱私為何重要?區塊鏈是匿名的嗎?洋蔥路由如何改進區塊鏈?
前言
自2008年區塊鏈以比特幣的面貌問世後,它便被視為 Web 3.0,並被期許能夠進一步為人類帶來金融與治理上的大躍進。區塊鏈或許會成為如同全球資訊網一般的基礎建設,如果我們已經開始注重個人於網路上的隱私,那麼我們更應該關心這項全新的技術是否能更好地保護它。
筆者將於本文中闡述隱私的重要性,接著進一步分析區塊鏈是否能夠保護用戶隱私,最後再簡介一個知名的匿名技術 — 洋蔥路由,並列舉幾個其用於改進區塊鏈(特別是以太坊)的相關提案。
特別感謝以太坊研究員 Chih-Cheng Liang 與民間高手敖烏協助校閱並給予回饋。
隱私的重要
網際網路(Internet)無疑是 20 世紀末最偉大的發明,它催生了全新的商業模式,也使得資訊能以位元的形式進行光速傳播,更使人類得以進行前所未有的大規模協作。而自從 1990 年全球資訊網(World Wide Web)的問世以來,網路已和現代文明生活密不可分。經過近 30 年的發展,人類在網路上製造了巨量的資料,這些資料會揭露使用者的隱私。透過一個人的資料,企業或者政府能夠比你自己更了解你。這促使用戶對隱私的愈發重視 — 正如同你不會允許第三者監聽你的電話,你也不希望有第三者監看你的瀏覽器搜尋歷史。
然而,如今的網路是徹底的中心化,中心化也意謂著過大的權力,有種種跡象顯示:網路正在成為政府當局監控人民的工具。例如:中國的淨網衛士[1]、美國的稜鏡計劃[2]等。那麼,政府應該監控人民嗎?其中一派的人認為平日不做虧心事,半夜不怕鬼敲門,這也就是常見的無所隱瞞論[3]:
我不在乎隱私權,因為我沒什麼好隱瞞的。
不過持有這類論點的人通常會被下面的說法反駁:
既然沒什麼好隱瞞的,那請把你的 Email 帳號密碼給我,讓我揭露其中我認為有趣的部分。
大多數正常人應該都不會接受這個提議。
隱私應當與言論自由一樣,是公民的基本權利。事實上,隱私是一個既廣且深的題目,它涉及了心理學、社會學、倫理學、人類學、資訊科學、密碼學等領域,這裡[4]有更多關於關於隱私的討論以及網路隱私工具的整理。
隱私與區塊鏈
有了網際網路後,接下來人類或許可以透過區塊鏈來建構出一個免除人性且完全仰賴自然法則(數學)運行的去中心化系統。在中心化世界中,我們需要免於政府監控的隱私;在去中心化世界中,我們仍然需要隱私以享有真正的平等。
正如同本文的前言所述:區塊鏈也許會成為如同全球資訊網一般的基礎建設,如果我們已經開始注重網路隱私,那麼我們更應該關心區塊鏈是否能更好地保護它。
隱私與匿名
Privacy vs Anonymity [5]
當我們論及隱私時,我們通常是指廣義的隱私:別人不知道你是誰,也不知道你在做什麼。事實上,隱私包含兩個概念:狹義的隱私(Privacy)與匿名(Anonymity)。狹義的隱私就是:別人知道你是誰,但不知道你在做什麼;匿名則是:別人知道你在做什麼,但不知道你是誰。
隱私與匿名對於隱私權來說都很重要,也可以透過不同的方法達成,接下來本文將聚焦於匿名的討論。另外,筆者在接下來的文章中所提及的隱私,指的皆是狹義的隱私。
網路的匿名
以當今的網路架構(TCP/IP 協定組)來說,匿名就是請求端(Requester)向響應端(Responder)請求資源時藏匿其本身的 IP 位址 — 響應端知道請求端在做什麼(索取的資源),但不知道是誰(IP 位置)在做。
IP 位置會揭露個人資訊。在台灣,只需透過 TWNIC 資料庫就可向台灣的網路服務供應商(Internet Service Provider, ISP),例如中華電信,取得某 IP 的註冊者身份及姓名/電話/地址之類的個資。
ISP 是網路基礎建設的部署者與營運者,理論上它能知道關於你在使用網路的所有資訊,只是這些資訊被法律保護起來,並透過公權力保證:政府只在必要時能夠取得這些資訊。萬一政府本身就是資訊的監控者呢?因此,我們需要有在 ISP 能窺知一切的情形下仍能維持匿名的方法。
區塊鏈能保護隱私、維持匿名嗎?
區塊鏈除了其本身運作的上層應用協定之外,還包含了下層網路協定。因此,這個問題可以分為應用層與網路層兩個部分來看 。
應用層
應用層負責實作狀態機複製(State Machine Replication),每個節點收到由共識背書的交易後,便可將交易內容作為轉換函數(Transition Function)於本機執行狀態轉換(State Transition)。
區塊鏈上的交易內容與狀態是應當被保護的隱私,一個保護隱私的直覺是:將所有的交易(Transaction)與狀態(State)加密。然而實際上,幾乎目前所有的主流區塊鏈,包含以太坊,其鏈上的交易及狀態皆為未加密的明文,用戶不僅可以查詢任一地址的交易歷史,還能知道任一地址呼叫某智能合約的次數與參數。也就是說,當今主流區塊鏈並未保護隱私。
雖然區塊鏈上的交易使用假名(Pseudonym),即地址(Address),但由於所有交易及狀態皆為明文,因此任何人都可以對所有假名進行分析並建構出用戶輪廓(User Profile)。更有研究[6]指出有些方法可以解析出假名與 IP 的映射關係(詳見下個段落),一旦 IP 與假名產生關聯,則用戶的每個行為都如同攤在陽光下一般赤裸。
區塊鏈的隱私問題很早便引起研究員的重視,因此目前已有諸多提供隱私保護的區塊鏈被提出,例如運用零知識證明(Zero-knowledge Proof)的 Zcash、運用環簽章(Ring Signature)的 Monero、 運用同態加密(Homomorphic Encryption)的 MimbleWimble 等等。區塊鏈隱私是一個大量涉及密碼學的艱澀主題,本文礙於篇幅不再深入探討,想深入鑽研的讀者不妨造訪台北以太坊社群專欄,其中有若干優質文章討論此一主題。
網路層
節點於應用層產生的共識訊息或交易訊息需透過網路層廣播(Broadcast)到其他節點。由於當今的主流區塊鏈節點皆未採取使網路維持匿名的技術,例如代理(Proxy)、虛擬私人網路(Virtual Private Network, VPN)或下文即將介紹的洋蔥路由(Onion Routing),因此區塊鏈無法使用戶維持匿名 — 因為對收到訊息的節點來說,它既知道廣播節點在做什麼(收到的訊息),也知道廣播節點是誰(訊息的 IP 位置)。
一個常見的問題是:使用假名難道不是匿名嗎?若能找到該假名與特定 IP 的映射關係的話就不是。一般來說,要找到與某假名對應的 IP 相當困難,幾可說是大海撈針,但是至少在下列兩種情況下可以找到對應關係:1. 該假名的用戶自願揭露真實 IP,例如在社群網站公開以太坊地址;2. 區塊鏈網路遭受去匿名化攻擊(Deanonymization Attack)[6]。
洩漏假名與 IP 的關聯會有什麼問題? 除了該 IP 的真實身份可能被揭露外,該區塊鏈節點亦可能遭受流量分析(Traffic Analysis)、服務阻斷(Denial of Service)或者審查(Censorship),可以說是有百害而無一利。
區塊鏈如何維持匿名?
其實上文已給出了能讓區塊鏈維持匿名的線索:現有匿名技術的應用。我們先來進一步理解區塊鏈網路層與深入探討網際網路協定的運作原理。
區塊鏈網路層的運作原理
P2P Overlay Network [7]
區塊鏈是一個對等網路(Peer-to-peer, P2P),而對等網路是一種覆蓋網路(Overlay Network),需建構於實體網路(Physical Network)之上。
覆蓋網路有兩種常見的通訊模式:一種是基於中繼的(Relay-based)通訊,在此通訊模式下的訊息皆有明確的接收端,因而節點會將不屬於自己的訊息中繼(Relay)給下一個可能是接收端的節點,分散式雜湊表(Distributed Hash Table, DHT)就是一種基於中繼的對等網路;另一種是基於廣播的(Broadcast-based)通訊,在此通訊模式下的訊息會被廣播給所有節點,節點會接收所有訊息,並且再度廣播至其他節點,直到網路中所有節點都收到該訊息,區塊鏈網路層就是一種基於廣播的對等網路。
覆蓋網路旨在將實體網路的通訊模式抽象化並於其上組成另一個拓墣(Topology)與路由機制(Routing Mechanism)。然而實際上,實體網路的通訊仍需遵循 TCP/IP 協定組的規範。那麼,實體網路又是如何運作的呢?
網際網路的運作原理
OSI Model vs TCP/IP Model
實體網路即是網際網路,它的發明可以追朔至 Robert Kahn 和 Vinton Cerf 於1974 年共同發表的原型[12],該原型經過數年的迭代後演變成我們當今使用的 TCP/IP 協定組[8]。全球資訊網(WWW)的發明更進一步驅使各國的 ISP 建立基於 TCP/IP 協定組的網路基礎建設。網際網路在多個國家經過近 30 年的部署後逐漸發展成今日的規模,成為邏輯上全球最巨大的單一網路。
1984 年,國際標準化組織(ISO)也發表了 OSI 概念模型[9],雖然較 TCP/IP 協定組晚了 10 年,但是 OSI 模型為日後可能出現的新協定提供了良好的理論框架,並且與 TCP/IP 協定組四層協定之間有映射關係,能夠很好地描述既存的 TCP/IP 協定組。
TCP/IP 協定組的各層各有不同的協定,且各層之間的運作細節是抽象的,究竟這樣一個龐大複雜的系統是如何運作的呢?
Packet Traveling [10][11]
事實上,封包的傳送正如同寄送包裹。例如筆者從台北寄一箱書到舊金山,假設每個包裹只能放若干本書,這箱書將分成多個包裹寄送,每個包裹需註明寄件地址、收件地址、收件者。寄送流程從郵局開始,一路經過台北物流中心 → 北台灣物流中心 → 基隆港 → 洛杉磯港 → 北加州物流中心 → 舊金山物流中心 → 收件者住處,最後由收件者收取。
這如同從 IP 位於台北的設備連上 IP 位於舊金山的網站,資料將被切分成多個固定大小的封包(Packet)之後個別帶上請求端 IP、響應端 IP 及其他必要資訊,接著便從最近的路由器(Router)出發,一路送至位於舊金山的伺服器(Server)。
每個包裹上的收件地址也如同 IP 位置,是全球唯一的位置識別。包裹的收件地址中除了包含收件者的所在城市、街道,還包含了門號,每個門號後都住著不同的收件者。門號正如同封包中後綴於 IP 的連接埠(Port),而住在不同門號的收件者也如同使用不同連接埠的應用程式(Application),分別在等待屬於他們的包裹。實際上,特定的連接埠會被分配給特定的應用程式,例如 Email 使用連接埠 25、HTTPS 使用連接埠 443 等等。
雖然包裹的最終目的地是收件地址,但包裹在運送途中也會有數個短程目的地 — 也就是各地的物流中心。包裹在各個物流中心之間移動,例如從北部物流中心到基隆港,再從基隆港到洛杉磯港,雖然其短程目的地會不斷改變,但其最終目的地會保持不變。
封包的最終目的地稱為端點(End),短程目的地稱為轉跳(Hop) — 也就是路由器(Router)。路由器能將封包從一個網段送至另一個網段,直到封包抵達其端點 IP 所在的網段為止。封包使用兩種定址方法:以 IP 表示端點的位置,而以 MAC 表示路由器的位置。這種從轉跳至轉跳(From Hop to Hop)的通訊是屬於 TCP/IP 協定組第一層:網路存取層(Network Access Layer)的協定。
那麼要如何決定包裹的下一個短程目的地呢?理論上,每個物流中心皆需選擇與最終目的地物理距離最短的物流中心作為下一個短期目的地。例如對寄到舊金山的包裹來說,位於基隆港的包裹下一站應該是洛杉磯港,而不是上海港。
封包則使用路由器中的路由表(Routing Table)來決定下一個轉跳位置,有數種不同的路由協定,例如 RIP / IGRP 等,可以進行路由表的更新。從端點到端點(From End to End)的通訊正是屬於 TCP/IP 協定組第二層:網際層(Internet Layer)的協定。
若一箱書需要分多次寄送,則可以採取不同的寄送策略。至於選擇何種寄送策略,則端看包裹內容物的屬性:
求穩定的策略:每個包裹都會有個序號,寄包裹前要先寫一封信通知收件者,收件者於收到信後需回信確認,寄件者收到確認信後“再”寫一次信告訴收件者「我收到了你的確認」,然後才能寄出包裹。收件者收到包裹後也需回確認信給寄件者,如果寄件者沒收到某序號包裹的回信,則會重寄該包裹。
求效率的策略:連續寄出所有的包裹,收件者不需回信確認。
橫跨多個封包的通訊是屬於 TCP/IP 協定組第三層:傳輸層(Transport Layer)的協定。這兩種策略也對應著傳輸層的兩個主要協定:TCP 與 UDP。TCP 注重穩定,它要求端點於傳送封包前必須先進行三向交握(Three-way Handshake),也就是確認彼此的確認,以建立穩固的連線,且端點在接收封包後也會回傳確認訊息,以確保沒有任何一個封包被遺失;反之,UDP 注重效率,它不要求端點在通訊前進行繁瑣的確認,而是直接傳送封包。
包裹本身亦可以裝載任何內容:這箱書可以是一套金庸全集,也可以是一年份的交換日記;同理,封包內的資料也可以是來自任何上層協定的內容,例如 HTTPS / SMTP / SSH / FTP 等等。這些上層協定都被歸類為 TCP/IP 協定組第四層:應用層(Application Layer)的協定。
維持匿名的技術
區塊鏈仰賴於實體網路傳送訊息,欲使區塊鏈網路層維持匿名,則需使實體網路維持匿名。那麼實體網路如何匿名呢? 若以寄包裹的例子來看,維持匿名,也就是不要讓收件者知道寄件地址。
一個直覺的思路是:先將包裹寄給某個中介(Intermediary),再由中介寄給收件者。如此收件者看到的寄件地址將會是中介的地址,而非原寄件者的地址 — 這也就是代理(Proxy)以及 VPN 等匿名技術所採取的作法。
不過這個作法的風險在於:寄件者必須選擇一個守口如瓶、值得信賴的中介。由於中介同時知道寄件地址與收件地址,倘若中介將寄件地址告知收件人,則寄件者的匿名性蕩然無存。
有沒有辦法可以避免使單一中介毀壞匿名性呢?一個中介不夠,那用兩個、三個、甚至多個呢?這便是洋蔥路由的基本思路。由於沒有任何一個中介同時知道寄件地址與收件地址,因此想破壞寄件者匿名性將變得更困難。
洋蔥路由與 Tor
洋蔥路由(Onion Routing)最初是為了保護美國政府情報通訊而開發的協定,後來卻因為其能幫助平民抵抗政府監控而變得世界聞名。
1997 年,Michael G. Reed、Paul F. Syverson 和 David M. Goldschlag 於美國海軍研究實驗室首先發明了洋蔥路由[13],而 Roger Dingledine 和 Nick Mathewson 於美國國防高等研究計劃署(DARPA)緊接著開始著手開發 Tor,第一版 Tor 於 2003 年釋出[14]。2004 年,美國海軍研究實驗室以自由軟體授權條款開放了 Tor 原始碼。此後,Tor 開始接受電子前哨基金會(Electronic Frontier Foundation)的資助;2006年,非營利組織「Tor 專案小組」(The Tor Project)成立,負責維護 Tor 直至今日。
Tor [15]是洋蔥路由的實作,它除了改進原始設計中的缺陷,例如線路(Circuit)的建立機制,也加入若干原始設計中沒有的部分,例如目錄伺服器(Directory Server)與洋蔥服務(Onion Service),使系統更強健且具有更高的匿名性。
Tor 自 2004 年上線至今已有超過 7000 個由志願者部署的節點,已然是一個強大的匿名工具。然而這也使其成為雙面刃:一方面它可以幫助吹哨者揭露不法、對抗監控;另一方面它也助長了販毒、走私等犯罪活動。但不論如何,其技術本身的精巧,才是本文所關注的重點。
Tor 的運作原理
Tor Overview [16]
Tor 是基於中繼的(Relay-based)覆蓋網路。Tor 的基本思路是:利用多個節點轉送封包,並且透過密碼學保證每個節點僅有局部資訊,沒有全局資訊,例如:每個節點皆無法同時得知請求端與響應端的 IP,也無法解析線路的完整組成。
Tor 節點也稱為洋蔥路由器(Onion Router),封包皆需透過由節點組成的線路(Circuit)傳送。要注意的是,Tor 線路僅是覆蓋網路中的路徑,並非實體網路的線路。每條線路皆由 3 個節點組成,請求端首先會與 3 個節點建立線路並分別與每個節點交換線路密鑰(Circuit Key)。
請求端會使用其擁有的 3 組線路密鑰對每個送出的封包進行 3 層加密,且最內層密文需用出口節點的密鑰、最外層密文需用入口節點的密鑰,如此才能確保線路上的節點都只能解開封包中屬於該節點的密文。被加密後的封包被稱為洋蔥,因其如洋蔥般可以被一層一層剝開,這就是洋蔥路由這個名稱的由來。
封包經過線路抵達出口節點後,便會由出口節點送往真正的響應端。同樣的線路也會被用於由響應端回傳的封包,只是這一次節點會將每個送來的封包加密後再回傳給上一個節點,如此請求端收到的封包就會仍是一顆多層加密的洋蔥。
那麼,請求端該選擇哪些節點來組成線路呢?Tor 引入了目錄伺服器(Directory Server)此一設計。目錄伺服器會列出 Tor 網路中所有可用的節點[17],請求端可以透過目錄伺服器選擇可用的洋蔥路由器以建立線路。目前 Tor 網路中有 9 個分別由不同組織維護的目錄,中心化的程度相當高,這也成為 Tor 安全上的隱憂。
Tor 線路的建立機制
Tor Circuit Construction [18]
Tor 是如何建立線路的呢?如上圖所示,Tor 運用伸縮(Telescoping)的策略來建立線路,從第一個節點開始,逐次推進到第三個節點。首先,請求端與第一個節點進行交握(Handshake)並使用橢圓曲線迪菲 — 赫爾曼密鑰交換(Elliptic Curve Diffie–Hellman key Exchange, ECDH)協定來進行線路密鑰的交換。
為了維持匿名,請求端接著再透過第一個節點向第二個節點交握。與第二個節點交換密鑰後,請求端再透過第一、二個節點向第三個節點交握與交換密鑰,如此慢慢地延伸線路直至其完全建立。線路建立後,請求端便能透過線路與響應端進行 TCP 連線,若順利連接,便可以開始透過線路傳送封包。
洋蔥服務
Clearnet, Deepweb and Darknet [21]
洋蔥服務(Onion Service)/ 隱藏服務(Hidden Service)是暗網(Darknet)的一部分,是一種必須使用特殊軟體,例如 Tor,才能造訪的服務;與暗網相對的是明網(Clearnet),表示可以被搜尋引擎索引的各種服務;深網(Deep Web)則是指未被索引的服務,這些服務不需要特殊軟體也能造訪,與暗網不同。
當透過 Tor 使用洋蔥服務時,請求端與響應端都將不會知道彼此的 IP,只有被響應端選定的節點:介紹點(Introduction Point)會引領請求端至另一個節點:會面點(Rendezvous Point),兩端再分別與會面點建立線路以進行通訊。也就是說,請求端的封包必須經過 6 個節點的轉送才能送往響應端,而所有的資料也會採取端對端加密(End-to-end Encryption),安全強度非常高。
洋蔥服務及暗網是一個令人興奮的主題,礙於篇幅,筆者將另撰文闡述。
混合網路、大蒜路由與洋蔥路由
這裡再接著介紹兩個與洋蔥路由系出同源的匿名技術:混合網路與大蒜路由。
Mix Network Overview [22]
混合網路(Mix Network)早在 1981 年就由 David Chaum 發明出來了[23],可以說是匿名技術的始祖。
洋蔥路由的安全性奠基於「攻擊者無法獲得全局資訊」的假設[24],然而一旦有攻擊者具有監控多個 ISP 流量的能力,則攻擊者仍然可以獲知線路的組成,並對其進行流量分析;混合網路則不僅會混合線路節點,還會混合來自不同節點的訊息,就算攻擊者可以監控全球 ISP 的流量,混合網路也能保證維持匿名性。
然而高安全性的代價就是高延遲(Latency),這導致混合網路無法被大規模應用,或許洋蔥路由的設計是一種為了實現低延遲的妥協。
Garlic Routing Overview [25]
混合網路啟發了洋蔥路由,洋蔥路由也啟發了大蒜路由。2003年上線的 I2P(Invisible Internet Project)便是基於大蒜路由(Garlic Routing)的開源軟體,可以視為是去中心化版的 Tor。幾乎所有大蒜路由中的組件,在洋蔥路由中都有對應的概念:例如大蒜路由的隧道(Tunnel)即是洋蔥路由的線路;I2P 的網路資料庫(NetDB)即是 Tor 的目錄;I2P中的匿名服務(Eepsite)即是 Tor 的洋蔥服務。
不過,大蒜路由也有其創新之處:它允許多個封包共用隧道以節省建立隧道的成本,且其使用的網路資料庫實際上是一個分散式雜湊表(DHT),這使 I2P 的運作徹底去中心化。若想進一步理解 DHT 的運作原理,可以參考筆者之前所撰寫的文章:
連Ethereum都在用!用一個例子徹底理解DHT
I2P 最大的詬病就是連線速度太慢,一個缺乏激勵的去中心化網路恐怕很難吸引足夠的節點願意持續貢獻頻寬與電費。
區塊鏈與洋蔥路由
那麼,基於實體網路的區塊鏈能不能使用洋蔥路由或大蒜路由/混合網路/其他技術,以維持節點的匿名?答案是肯定的。事實上,目前已經出現數個專案與提案:
全新的專案
Dusk:實作大蒜路由的區塊鏈[32],不過官方已宣布因其影響網路效能而暫停開發此功能。
cMix:透過預先計算(Precomputation)以實現低延遲的混合網路[33],是混合網路發明者 David Chaum 近期的研究,值得期待。
Loki:結合 Monero 與 Tor/I2P 的區塊鏈 [34],並使用代幣激勵節點貢獻頻寬與電力,由其白皮書可以看出發明者對於匿名技術的熱愛與信仰。
於主流區塊鏈的提案
比特幣:全世界第一條區塊鏈,將於其網路使用一個不同於洋蔥路由的匿名技術:Dandelion++[30][31],該匿名技術因其訊息傳播路徑的形狀類似浦公英而得其名。
閃電網路(Lightning Network):知名的比特幣第二層方案,將於其網路內實作洋蔥路由[27]。
Monero:使用環簽章保護用戶隱私的區塊鏈,將於其網路內實作大蒜路由,已開發出 Kovri[28] 並成為 I2P 官方認可的客戶端之一[29]。
於以太坊的提案
2018 年 12 月,Mustafa Al-Bassam 於以太坊官方研究論壇提議利用洋蔥路由改進輕節點之資料可得性(Light Client Data Availability)[36]。若讀者想了解更多關於以太坊輕節點的研究,可以參考台北以太坊社群專欄的這篇文章。資料可得性是輕節點實現的關鍵,而這之中更關鍵的是:如何向第三方證明全節點的資料可得性?由於這個提案巧妙地運用了洋蔥路由的特性,因此在今年 7 月在另一則討論中,Vitalik 亦強烈建議應儘速使洋蔥路由成為以太坊的標準[35]。
在這個提案中,輕節點需建立洋蔥路由線路,然而線路節點並非由目錄中挑選,而是由前一個節點的可驗證隨機函數(Verifiable Random Function, VRF)決定。例如線路中的第二個節點需由第一個節點的 VRF 決定。線路建立後,出口節點便可以接著向全節點請求特定的可驗證資料。由於輕節點在過程中維持匿名,因此可以防止全節點對輕節點的審查(Censoring)。取得可驗證資料後,其便與 VRF 證明沿著原線路傳回輕節點,輕節點再將可驗證資料與 VRF 證明提交至合約由第三方驗證。若第三方驗證正確,則資料可得性得證。
結語
隱私與匿名是自由的最後一道防線,我們應該盡可能地捍衛它,不論是透過本文介紹的匿名技術或者其他方式。然而,一個能保護隱私與維持匿名的區塊鏈是否能實現真正的去中心化?這是一個值得深思的問題。
本文也是筆者研究區塊鏈至今跨度最廣的一篇文章,希望讀者能如我一樣享受這段令人驚奇又興奮的探索旅程。
參考資料
[1] Jingwang Weishi, Wikipedia
[2] PRISM, Wikipedia
[3] privacytools.io
[4] Nothing-to-hide Argument, Wikipedia
[5] Anonymity vs Privacy vs Security
[6] Deanonymisation of Clients in Bitcoin P2P Network, Alex Biryukov, Dmitry Khovratovich, Ivan Pustogarov, 2014
[7] Example: P2P system topology
[8] Internet protocol suite, Wikipedia
[9] OSI model, Wikipedia
[10] Packet Traveling: OSI Model
[11] Packet Traveling — How Packets Move Through a Network
[12] A Protocol for Packet Network Intercommunication, VINTON G. CERF, ROBERT E. KAHN, 1974
[13] Anonymous Connections and Onion Routing, Michael G. Reed, Paul F. Syverson, and David M. Goldschlag, 1998
[14] Tor: The Second-Generation Onion Router, Roger Dingledine, Nick Mathewson, Paul Syverson, 2004
[15] Tor, Wikipedia
[16] What actually is the Darknet?
[17] Tor Network Status
[18] Inside Job: Applying Traffic Analysis to Measure Tor from Within, Rob Jansen, Marc Juarez, Rafa Galvez, Tariq Elahi, Claudia Diaz, 2018
[19] How Does Tor Really Work? The Definitive Visual Guide (2019)
[20] Tor Circuit Construction via Telescoping
[21] The DarkNet and its role in online piracy
[22] Mix network, Wikipedia
[23] Untraceable Electronic Mail, Return Addresses, and Digital Pseudonyms, David Chaum, 1981
[24] The differences between onion routing and mix networks
[25] Monitoring the I2P network, Juan Pablo Timpanaro, Isabelle Chrisment, Olivier Festor, 2011
[26] I2P Data Communication System, Bassam Zantout, Ramzi A. Haraty, 2002
[27] BOLT #4: Onion Routing Protocol
[28] Kovri
[29] Alternative I2P clients
[30] Bitcoin BIP-0156
[31] Dandelion++: Lightweight Cryptocurrency Networking with Formal Anonymity Guarantees, Giulia Fanti, Shaileshh Bojja Venkatakrishnan, Surya Bakshi, Bradley Denby, Shruti Bhargava, Andrew Miller, Pramod Viswanath, 2018
[32] The Dusk Network Whitepaper, Toghrul Maharramov, Dmitry Khovratovich, Emanuele Francioni, Fulvio Venturelli, 2019
[33] cMix: Mixing with Minimal Real-Time Asymmetric Cryptographic Operations, David Chaum, Debajyoti Das, Farid Javani, Aniket Kate, Anna Krasnova, Joeri De Ruiter, Alan T. Sherman, 2017
[34] Loki: Private transactions, decentralised communication, Kee Jefferys, Simon Harman, Johnathan Ross, Paul McLean, 2018
[35] Open Research Questions For Phases 0 to 2
[36] Towards on-chain non-interactive data availability proofs
隱私、區塊鏈與洋蔥路由 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.
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