In Math We Trust

日前，ArcBlock 研發副總裁陳天應邀出席 Erlang 社群全球開發者年度大會 Code BEAM SF 2019 並發表主題演講，會後撰文分享如何從技術角度理解對區塊鏈的信仰——

這次 Code Beam，我的演講題目是：Build a decentralized, public-verifiable DB。過去兩年，區塊鏈忽冷忽熱，催生許多流星般的 buzzword，也造就不少值得深入探討的概念，例如公開可驗證（public verifiable）。公開可驗證探討的是信任——我們如何在不信任對方身分的情況下信任資料本身。網際網路時代，信任基於身分，也就是基於權威。我們信任微信上的好友資料、Google 的搜尋結果，只因資料來自微信、Google 這樣的巨頭。我們「信任」它們，不是真的相信它們不作惡，而是別無選擇，只能從經濟角度一廂情願地認為作惡的代價高於不作惡。

以 Code Beam 門票為例。我們信任 Eventbrite 並向它購票，是因為 1）它是這個領域的權威；2）Code Beam 在此平台售票。購票者把信任寄託於：1）Eventbrite 會如實儲存購票紀錄供 Code Beam 驗證；2）其資料庫足夠安全，資料不會損壞、遺失或遭惡意竄改；3）即使資料損壞或遺失，也有足夠備份恢復至合理狀態。

工程師都知道這種信任多麼脆弱。資料庫雖設有層層存取權限，並費心規劃災難復原，但所有操作的基礎都建立在資料本身可信。因此，所有安全手段只是在確保資料存取者能處理獲准的資料。假設只允許 Tyr 向 asset 表格新增資料，不可修改或刪除，那麼只要 Tyr 登入資料庫，即使隨意塗鴉，只要符合資料型別，資料庫也會照單全收。

無論 postgres、riak、aurora 或 dynamodb，只要使用者擁有寫入權限，就能寫入任何真實或虛假的資料。

換句話說，資料的可信並非建立在資料本身，而是依賴其環境安全。因為信任環境，所以信任資料——多麼完美的邏輯！這讓我想起某集 Mission Impossible 中，阿湯哥跳進藏於水壩下的資料中心，更換資料卡，成功協助 Benji 竄改身分的情節。

有沒有辦法在資料輸入時就保證其完整性與不可竄改性？

答案很簡單——數位簽章。

為方便說明，假設有一個人人都能存取的資料庫 Cyberbase——任何人無須批准，就能寫入與自己相關的資料。資料庫只接受簽章正確的資料，並依一定規則更新。

例如我要把微信年齡改為 18 歲。在現有系統裡，我告訴微信：「請把我的年齡改成 18 歲」，微信再告訴資料庫：

update user set age = 18 where id = 'a008374856...';

在 Cyberbase 中，我用私鑰簽署一項事實（fact）：Tyr 今年 18 歲。更新規則是：若發起人（sender）的簽章正確，就執行 sender.age = 18。如此一來，關於 Tyr 的 fact 只能由 Tyr 陳述；第三方 Alice 沒有 Tyr 的私鑰，無法正確簽章，也就不能偽造相關 fact。

傳統資料庫與 Cyberbase 的第一個重要差異就在這裡：傳統資料庫不在意資料的正確性與完整性，而交由應用程式保證；只要發起更新的 client 已獲授權，就會盲目更新狀態。Cyberbase 則從輸入源驗證事件，只有簽章有效的 fact 才會依條件更新。

有了 fact，仍不能保證 Cyberbase 的資料未遭竄改。即使 Tyr 的年齡依其 fact 更新為 18 歲，也可能被改成 81 歲。因此，我們需要某種機制，確保任何非法更新都會被發現。這裡不是確保非法更新不會發生——不存在絕對安全的系統與環境，可能發生的事終將發生；我們要控制的是發生後的影響。

我們可以使用 Merkle tree，不斷合併零散原始資料並進行 hash，建立最終彙整至 root hash 的樹。任何資料變更都會改變其 hash，進而逐層影響合併後的 hash，最終 root hash 必然改變。在現有數學模型下，沒有演算法能竄改資料而不逐層反映至 root hash。因此，只要每次更新都妥善儲存 root hash，資料竄改必會被發現。就像 Tyr 的各種資料彙整在臉上，一看這張臉便能拆穿 81 歲的謊言。

然而，妥善儲存 root hash 說來輕鬆，做起來並不簡單。駭客若能把 Tyr 的年齡改成 81，自然也能逐層修改 merkle tree 的 hash、偽造新樹，並修改所謂妥善儲存的 root hash。若 root hash 也被更改，Cyberbase 就會信任偽造資料。因此，把 root hash 與資料存在同一處並不妥善。

存在異地呢？若不信任自己的伺服器，就把 root hash，也就是 Tyr 的臉，存進銀行保險箱；要確認年齡是否遭竄改，只須開箱查看。但仍有兩個問題：1）成本高昂，無法承受系統資料更新的頻率；2）如何保證通訊通道安全，並驗證另一端傳回的確實是真實資料？

有點慌。

換個角度，既然存在自己這裡不安全、存在別人那裡不可信，不如昭告天下，讓每次資料變更產生的 root hash 全網皆知。如此一來，只要駭客無法讓掌握資訊的足夠多人全數遭到操控（超過 1/3），就無法成功竄改資料。

這就解決了儲存 root hash，卻擔心資料遭竄改而無法發現的問題。

整理目前的 Cyberbase：每個人透過對事件簽章，獨立產生與自己有關、可驗證且可信的 fact。這些 fact 依規則寫入 Cyberbase，成為資料庫狀態（state）。狀態以 merkle tree 組織成完整信任樹，樹根是 root hash；將 root hash 廣播至網路後，駭客作惡門檻大幅提高，使竄改成本高到不可行。

到目前為止，我們沒有依賴任何環境安全——無論實體、網路或作業系統安全。我們依賴植根於數學的密碼演算法與預設規則，端到端保證資料可信。

仍缺少一個重要環節：誰來保證規則正確執行？Cyberbase 可能運作於故障磁碟，即使規則執行正確，寫入與讀出的資料也不一致；駭客也可能修改規則程式碼，使可信的 fact被不可信的程式碼提交至可信的 state，最終產生不可信的 state。

因此，我們要讓任何人都能運行 Cyberbase。網路中每個節點都能持續接收 fact，並依預定規則獨立執行。只要初始值（genesis data）、收到的 fact 及順序、執行規則皆相同，就會得到相同的最終 state，也就是相同的 root hash。如此，單點故障或規則遭竄改不會影響全局；駭客必須竄改足夠多節點才能成功。網路愈大、節點愈分散，攻擊成本就愈高。

這就是去中心化（decentralization）與公開可驗證（public-verifiable）。建構這樣的 Cyberbase，我們不必信任任何人，只須信任宇宙萬物運行的基石——數學。它創造了一種美妙的平等：資料面前人人平等；巨頭與個人提供的服務，在信任層面一視同仁。印刷術與文藝復興打破上層社會對知識的壟斷，讓知識面前人人平等；資訊革命與網際網路打破少數媒體對資訊創作、傳播的壟斷，讓資訊面前人人平等；Cyberbase 背後的區塊鏈技術則有機會打破可信資料由 Google、微信、Facebook 等網路巨頭壟斷的局面，讓資料面前人人平等。每個服務提供者的競爭優勢將來自資料分析、使用者體驗與需求理解，而不是資料壟斷。

原文連結： 誠者，天之道也