詳解最小化反共謀基礎設施MACI：鏈上治理中的抗勾結框架

作者：Eric Zhang

Architect @DoraFactory @DoraHacks

關於這篇文章的背景，請參考《二次方投票和二次方資助》。在這篇文章發布后的一個月，BSC基金會在DoraHacks開發者平台HackerLink上運行了BSC生態第一輪二次方資助‌，並在其後的15天中收到了全球超過60個開發者團隊提交的項目。

在《二次方投票和二次方資助》中，我介紹了Vitalik的博客《Quadratic Payments》所提到的三個問題：身份偽造攻擊（Identity Bribery）、勾結（Collusion）、理性忽視問題（Rational Ignorance）。這三個問題其實不限於二次方投票，而是鏈上治理機制所遇到的通用問題。因此，這些問題的解決方案不僅可以使得二次方投票更規模化和更安全，還可以惠及更多鏈上治理的機制。

這篇文章的目標是為設計一種“非合作二次方投票”，或“抗勾結二次方投票”的機製做準備。在這種場景下，投票者無法相互之間合作，因此就沒有了勾結的可能性。這種機制一個基礎框架是，Vitalik Buterin在Ethresear上發表的文章《Minimal anti-collusion infrastructure》[1] （MACI）。因此，我們先解釋MACI的機制，從而為進一步探討如何使用MACI改進二次方投票，消除勾結（Collusion）的可能性。

MACI: Minimal Anti-Collusion Infrastructure

MACI是“最小化抗勾結框架”。背景材料參考Vitalik Buterin 的博客https://ethresear.ch/t/minimal-anti-collusion-infrastructure/5413 ，以及《On Collusion》 https://vitalik.ca/general/2019/04/03/collusion.html

很多的鏈上治理應用需要“抗勾結”這個特性，但同時又需要區塊鏈對交易執行以及抗審查、保護隱私的保證。投票是有這種需求的一個重要場景，因為很明顯在投票中，抗勾結是必須的，同時對執行結果的正確性的要求是很高的，需要保護計票過程，最後，還需要防止對投票者的審查。

設置

假設有一個智能合約/(R/)，包含一個公鑰的列表 /(K_1 … K_n/), 以及一些必要的函數，可以把這些公鑰註冊到智能合約中。另外，只有符合以下兩個條件驗證身份的參與者的公鑰可以進入到R中：

賬戶屬於一個“合法”的參與者（一個獨立的人，某個社區的成員，比如擁有某個國家的國籍、在一個論壇上有足夠高的聲譽、持有不少於某個數量的Token…）

賬戶持有人個人控制密鑰（例如，如果需要的話，可以打印出來以證明）

每一個用戶需要stake一筆錢: 如果任何人泄漏了自己的私鑰，那麼得到私鑰的人可以直接取走這筆錢，從而這個賬戶就會從列表中被移除。這個機制抑制了任何人把私鑰交給別人。

另外，假設有一個操作員(/(operator/))，他有一個私鑰/(k_/omega/), 和一個對應的公鑰/(K_/omega/).

最後，假設有一個機制 /(M/), 它是一個函數 /(action^n /rightarrow Outputs/), 其中，函數的輸入是/(n/)個參與者的行為，輸出是這個函數定義的某種輸出結果。例如，一個簡單的投票機制是一個函數，根據輸入的值，輸出出現次數最多的那個值。

執行

在起始時間/(T_{start}/)，/(operator/)開始一個其實狀態/(S_{start} = {i: (key=K_i, action = /phi)}, i /in 1…n/).

在起始時間/(T_{start}/)和結束時間/(T_{end}/)之間，任何註冊的參與者可以向R發送消息，消息用參與者自己的私鑰/(k/)加密。有兩種消息：

約定行為: 例如投票。參與者需要發送加密過的消息 /(enc(msg = (i, sign(msg = action, key = k_i)), pubkey = K_/omega)/), 其中/(k_i/)是這個參與者當前的私鑰，/(i/)是參與者在/(R/)中的id

更新密鑰: 參與者需要發送加密過的消息/(enc(msg = (i, sign(msg = NewK_i, key = k_i)), pubkey = K_/omega)/), 其中/(NewK_i/)是參與者要變更的公鑰, /(k_i/)是這個參與者當前的私鑰

這時，操作員的工作是按照消息上鏈的先後順序處理每一個消息。具體的處理過程：

使用操作員私鑰解密消息。如果解密失敗，或者解密對應的信息無法解碼成為以上的兩類信息，則直接跳過這條信息

使用/(state[i].key/)驗證消息的簽名

如果解碼后的消息是約定的行為(/(action/))，那麼設置/(state[i] = action/), 如果解碼后的消息是一個新的公鑰，那麼設置/(state[i].key = NewK_i/)

在/(T_{end}/)之後，操作員必須公布輸出狀態 /(M(state[1].action, … , state[n].action)/), 同時給出一個ZK-SNARK，證明這個輸出是正確的結果。

為什麼這個機制是抗勾結的

假設一個參與者想要證明他做過什麼，例如做過/(action/) /(A/)，他可以引用一個鏈上的交易/(enc(msg = (i, sign(msg = A, key = k_i)), pubkey = K_/omega)/)，並且提供一個零知識證明，驗證這筆交易的確是包含/(A/)的加密信息。但是，他無法證明他沒有發出別的交易，例如他可能發出過一筆更早的交易，把公鑰換成了一個新的/(NewK_i/)，因此前面的證明也就變得沒有意義了，因為如果他更換過密鑰的話，他可能已經做了別的動作。

參與者還可能把私鑰給其他人，但是這樣做的話那個人拿到私鑰后就可以立即試圖修改密鑰。這樣的話 1) 有50%的成功率，2) 會導致拿到密鑰的人直接拿走之前stake的存款。

MACI未解決的問題

接收方在可信硬件環境中，或者接收方在可信多簽的情況下，賣出私鑰

原有的私鑰在一個可信的硬件環境中的攻擊，這個環境可以防止私鑰變更為任何攻擊者們不事先知道的私鑰

第一種情況，可以通過特別設計的複雜簽名機制，而這種設計對可信硬件和多簽不友好。不過這種設計需要確保驗證函數對ZKP友好。

第二種情況可以通過“面對面零知識證明”解決，例如，參與者可以把私鑰拆解為/(x + y = k_i/)，公布/(X = x*G/) 和 /(Y = y*G/), 並且給驗證者展示兩個信封，分別包含/(x/)和/(y/); 驗證者打開一個，檢查公布的/(Y/)是正確的，然後檢查/(X + Y = K_i/)。

非合作二次方投票

這種機制可以用來改進包括投票在內的多種鏈上治理機制。在二次方資助中，當資金池規模非常大的時候，或者當二次方資助被用於更大的場景時(例如大選、國會審批預算等場景)，勾結就會成為一個必須被解決的問題。因此，設計一個抗勾結二次方投票(Anti-collusion quadratic funding)機制，可以規模化二次方資助。

[1]Vitalik Buterin, Minimal anti-collusion infrastructure,

https://ethresear.ch/t/minimal-anti-collusion-infrastructure/5413