Mina技术白皮书

Posted mutourend

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Mina技术白皮书相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. 引言

Mina系列博客有：

传统区块链验证 t t t笔交易所需时间为 Ω ( t ) \\Omega(t) Ω(t)，Mina致力于实现：从gennesis到当前的所有历史交易的验证时间为constant O ( 1 ) O(1) O(1)（约200ms），即与交易数无关，实现所谓的succinct blockchain。
具体实现方法为，在每个区块内包含state validity 的succinct proof。当前区块commit的system state，可看成是由genesis state，经一系列有效的交易所达成的，若当前区块有效，则这一系列交易可看成是相应的witness。
不过，若是为每个区块都从genesis开始创建所有历史交易的有效性证明，这样的proof计算将是昂贵的，为此，可借助incrementally computable SNARKs来确保为每个区块计算proof的开销，与自前一区块开始增加的交易数呈正比（即与当前区块所增加的交易数呈正比）。

Mina采用account模式，而不是UTXO模式，因此Mina链的当前状态为a list of all account balances。
在Mina的每个区块中，包含了：

  • a commitment to this state (in a Merkle tree)，而不是对所有state的commitment。为此，全节点无需存储整个state，但可根据当前最新区块头中的state commitment来高效验证account balances。

但是，Mina中的Prover（类似于Bitcoin中的miner），确实需要存储所有state，因为这些state作为witness，用于证明新区块的有效性。

Mina采用名为Ouroboros Samasika的proof-of-stake (PoS)共识机制。

当前，Mina的state proof size仅为864字节，验证时间约为200ms。任意支持这种级别计算的设备（如手机），都可在无需可信设备的情况下验证Mina系统的当前状态。

除incrementally computable SNARKs之外，Mina中采用了多种优化措施，其中最有效的优化措施有：

  • 1）parallel scan state：从高层来看，这将提高交易吞吐量，使其超过顺序计算证明的限制。核心思想是对所有仍需要纳入证明的块排队，并将它们的证明分发给parallel Provers。引入最新交易的特殊队列：以将交易确认延迟降低到最小证明时间所施加的限制之下。
  • 2）引入了一种特殊的激励结构，以最大限度地提高Prover在网络中的参与度。

2. succinct blockchains

2.0 相关定义

PPT：probabilistic polynomial time
λ \\lambda λ：表示安全参数。
SNARKs定义为：

Signature of Knowledge (SoK)：为数字签名的通用表达，将公钥替换为NP language中的an instance，正式的定义参见Groth和Maller 2017年论文Snarky Signatures: Minimal Signatures of Knowledge from Simulation-Extractable SNARKs。SoK的概念与simulation-extractable non-interactive zero-knowledge argument的概念相关。在Mina中，依赖使用SNARKs构建的SoKs，从而可利用SoK的succinctness。（Mina采用的是Bowe和Gabizon 2018年论文《Making groth’s zk-snark simulation extractable in the random oracle model》中的simulation-extractable SNARK方案。）

定义2.1：

  • state：为a string s t ∈ 0 , 1 λ st\\in\\0,1\\^\\lambda st∈0,1λ
  • block proof：为a value (或a set of values) π i B \\pi_i^B πiB​，包含了用于验证该区块是否有效的信息。
  • block：每个区块关联一个称为block producer的唯一一方。block B i = s n i , s t i , π i B , d i , b-pk i ,  b-sig i B_i=\\sn_i, st_i,\\pi_i^B, d_i,\\textb-pk_i,\\text b-sig_i\\ Bi​=sni​,sti​,πiB​,di​,b-pki​, b-sigi​，其中 s n i ∈ N sn_i\\in\\mathbbN sni​∈N为serial number， s t i st_i sti​为当前state， π i B \\pi_i^B πiB​为当前block proof， d i ∈ 0 , 1 ∗ d_i\\in\\0,1\\^* di​∈0,1∗为当前block data， b-pk i \\textb-pk_i b-pki​为当前block producer的公钥， b-sig i \\textb-sig_i b-sigi​为当前公钥 b-pk i \\textb-pk_i b-pki​对 s n i , s t i , π i B , d i \\sn_i, st_i,\\pi_i^B, d_i\\ sni​,sti​,πiB​,di​的签名。

Mina链由一系列区块 C = B 1 , ⋯   , B n C=\\B_1,\\cdots,B_n\\ C=B1​,⋯,Bn​组成，其中序列号为严格单调递增的。第一个区块 B 1 B_1 B1​称为genesis block。 len ( C ) = n \\textlen(C)=n len(C)=n为当前区块高度。

定义2.2：
succinct blockchain protocol Π \\Pi Π由5个PPT算法组成 ( VerifyConsensus, UpdateConsensus, VerifyBlock, UpdateChainSummary, VerifyChainSummary ) (\\textVerifyConsensus, UpdateConsensus, VerifyBlock, UpdateChainSummary, VerifyChainSummary) (VerifyConsensus, UpdateConsensus, VerifyBlock, UpdateChainSummary, VerifyChainSummary)：

  • VerifyConsensus(consensusState, consensusProof) → ⊤ / ⊥ \\textVerifyConsensus(consensusState, consensusProof)\\rightarrow \\top/\\perp VerifyConsensus(consensusState, consensusProof)→⊤/⊥：该算法的输入为 consensusState 和 consensusProof \\textconsensusState 和 consensusProof consensusState 和 consensusProof，验证某个正确性与否分别输出 ⊤ 或 ⊥ \\top或\\perp ⊤或⊥。
  • UpdateConsensus(consensusState, consensusProof) → nextConsensusState \\textUpdateConsensus(consensusState, consensusProof)\\rightarrow \\textnextConsensusState UpdateConsensus(consensusState, consensusProof)→nextConsensusState：该算法的输入也为 consensusState 和 consensusProof \\textconsensusState 和 consensusProof consensusState 和 consensusProof，输出为an updated consensus state。
  • VerifyChainSummary ( S i ) → ⊤ / ⊥ \\textVerifyChainSummary(S_i)\\rightarrow \\top/\\perp VerifyChainSummary(Si​)→⊤/⊥：该算法验证某blockchain summary S i S_i Si​是否有效。
  • VerifyBlock ( S i − 1 , B i ) → ⊤ / ⊥ \\textVerifyBlock(S_i-1, B_i)\\rightarrow \\top/\\perp VerifyBlock(Si−1​,Bi​)→⊤/⊥：该算法验证某区块 B i B_i Bi​是否对应某blockchain summary S i − 1 S_i-1 Si−1​有效。作为验证的一部分，它会检查 VerifyConsensus(consensusState i − 1 , consensusProof i ) → ⊤ \\textVerifyConsensus(consensusState_i-1, \\textconsensusProof_i)\\rightarrow \\top VerifyConsensus(consensusStatei−1​,consensusProofi​)→⊤，其中 S i − 1 S_i-1 Si−1​包含了 consensusState i − 1 \\textconsensusState_i-1 consensusStatei−1​， π i B \\pi_i^B πiB​包含了 consensusProof i \\textconsensusProof_i consensusProofi​， B i = ( ⋅ , ⋅ , π i B , ⋅ , ⋅ , ⋅ ) B_i=(\\cdot,\\cdot,\\pi_i^B,\\cdot,\\cdot,\\cdot) Bi​=(⋅,⋅,πiB​,⋅,⋅,⋅)。
  • UpdateChainSummary ( S i − 1 , B i ) → S i \\textUpdateChainSummary(S_i-1, B_i)\\rightarrow S_i UpdateChainSummary(Si−1​,Bi​)→Si​：该算法输入为blockchain summary S i − 1 S_i-1 Si−1​和新区块 B i B_i Bi​，输出为an updated blockchain summary S i S_i Si​。

以上succinct blockchain protocol Π \\Pi Π具有succinctness属性：