对XRP Ledger的形式化验证
Source: Dev.to
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摘要
Ripple 正在与 Common Prefix 合作，指定并形式化验证 XRP Ledger 的关键组件（支付引擎和共识协议）。您可以在 GitHub 上阅读最新的支付引擎规范：
XRP Ledger Payment Engine Specification
在 2012 年，XRP Ledger 首次上线时，其创建者只有一个单一目标：在有限的资源下打造一种全新的、更高效的区块链。当时没有研究团队、形式化规范，也没有审计员和学术论文的生态系统可供依赖。工程师们正争分夺秒地构建一个可运行、可靠的去中心化账本。自那时起，XRP Ledger 已成为运行时间最长的区块链之一，十余年无停机，支撑了数亿笔账本和交易[1]。然而，对于其基础组件，唯一的 C++ 实现（xrpld）一直是唯一的权威来源，这带来了根本性的挑战：
- 缺乏安全性证明。 系统并未证明它不可能进入无效状态。十年的运行记录证明了工程质量，但要为下一代复杂功能做好准备，我们必须从经验成功转向数学确定性。
- 缺失意图。 代码用极其精确的 C++ 语义描述了“做了什么”，却没有说明“为什么”。这使得我们无法区分是有意为之还是固有行为。
账本核心的这种“规范债务”正随着区块链的演进而到期。XRP Ledger 是一个动态系统，持续有新且高度复杂的功能被提议并加入。
最近和即将推出的功能
这些错综复杂的修改必须嵌入已有数十年历史的账本逻辑中，进而引发诸如：
- 新的借贷协议如何与冻结资产或回收机制的规则交互？
- 批量交易如何影响 DEX 的排序和执行逻辑？
每一个必须适配到已经复杂且未规范化系统的新功能，都会导致可能状态和交互的指数级增长。仅凭人工直觉和传统测试已不足以保证正确性。
可验证的真相来源
要应对这些挑战，需要对 XRP Ledger 的关键组件进行正式的、抽象的规范，以提供一个可验证的真相来源，用于手动和机械地推理系统行为。需要两种不同但互补的资产：
- Human‑Readable Specification – 一份清晰、明确的文档，描述系统行为，作为开发者和研究人员的权威参考。
- Machine‑Verifiable Model – 规范的正式数学表示，能够进行系统属性的机械化证明、模拟网络行为，并验证新的代码更改不会违背核心安全保证。
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好处：更坚实的基础
建立正式规范可以打造更坚实的基础，为整个 XRP Ledger 生态系统带来叠加的收益。
什么是形式化方法？
简而言之，形式化方法是一套基于应用数学和逻辑的技术，用于指定、设计和验证复杂的软件和硬件系统。
它们不同于仅依赖传统测试——后者只能证明存在缺陷——形式化方法能够证明某些类别缺陷的不存在。它们帮助回答如下问题：
- “系统是否有可能进入无效状态？”
- “这个新的借贷协议是否会破坏支付引擎的核心不变量？”
在日益复杂的系统中，人类直觉会失效。形式化方法提供了建模复杂交互、检测边缘案例缺陷的工具，并对协议设计的正确性和健全性提供数学上的确定性。
具体优势
- 清晰度与歧义降低 – 单一的真理来源消除开发者在构建 XRP Ledger 时的猜测，加速入职和研究。
- 更强的测试与审计 – 规范成为衡量实现的权威基准，支持全面的测试套件和独立验证。
- 更安全的协议演进 – 在编写任何代码之前，提议的修改可以通过数学严谨的建模与评估，确保升级可预测且安全。
- 先进技术的基础 – 正式规范是下一代特性（如无信任 ZK‑桥）的关键蓝图，简化密码电路设计，显著降低细微但关键错误的风险。
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过程：从代码到形式化证明
将已有的 C++ 实现转化为可验证的模型并非易事。它需要：
- 提取意图 – 解释代码背后的设计原理，而不仅仅是其操作细节。
- 抽象建模 – 创建一个高层次的数学模型，捕捉核心行为，同时省略无关的实现细节。
- 机械化验证 – 使用证明助理或模型检查器正式验证模型满足所需的安全性和活性属性。
- 迭代细化 – 持续使模型与不断演进的代码库以及新提出的协议修订保持一致。
通过遵循这种严谨的方法，Ripple 和 Common Prefix 旨在提供一个可验证、面向未来的规范，以支撑 XRP Ledger 多年来的持续增长。
抽象，而非翻译
将 C++ 代码库逐行直接转换为形式化语言不仅不可行，而且会错失此工作的根本意义。
第 1 阶段 – 理解系统
此阶段需要 考古学 与 工程学：审阅设计文档和代码，并与核心开发者交流，以把握系统的意图。
输出： 一份用简明英文撰写的清晰结构化文档，描述协议规则 而不 包含 C++‑特定细节。
第 2 阶段 – 形式化规范
第二阶段要求在形式化语言中给出精确语义，聚焦于最危险的 bug 所潜伏的领域：
- 并发
- 分布式共识
- 复杂状态转移
对系统进行建模是一个迭代过程：使用诸如 TLA+ 等工具检查缺陷，并根据结果细化规范。
为什么直接代码转换行不通
- State Explosion – C++ 代码包含过多细节。包含所有细节的模型其 状态空间 将远大于任何计算机能够有效分析的范围。
- Implementation Bias – 转换后的模型将是 实现 的模型，而不是 设计 的模型。代码中的错误会在模型中被忠实再现，从而失去验证的意义。
- Loss of Abstraction – 关注点会从验证协议的高层正确性转向检查诸如内存管理等低层细节，失去我们希望获得的关键设计层面的洞察。
所需方法
将系统建模为 状态机 以表达其行为和期望属性。这使得模型检查器能够对设计进行彻底的逻辑缺陷搜索，形成强大的反馈循环：
- 找出并修复非正式规范中的歧义。
- 检测形式模型中的逻辑错误。
- 反复细化两者，直至它们稳健。
合作与重点
为了执行这项关键工作，Ripple 正在与 Common Prefix 合作，该公司在形式化验证和协议分析方面拥有深厚的专业知识，尤其专注于：
- 共识基础
- 互操作性
- 对分布式账本协议核心属性的数学证明
XRP Ledger 的极端复杂性要求采用聚焦的方式。一次性完整地指定整个系统成本高昂且耗时。我们共同确定了两个最关键且最复杂的组件作为起点：
| Component | Role |
|---|---|
| Payment Engine | 处理所有价值转移，包括跨去中心化交易所和 ripple（波纹）等复杂操作。 |
| Consensus Protocol | 账本的核心；使节点能够就共同状态达成一致。其正确性支撑整个网络的安全性、活性和最终性。 |
我们将创建共识机制的形式化模型，以数学方式证明其核心属性：
- 活性（Liveness） – 网络持续取得进展。
- 安全性（Safety） – 网络永不进入无效状态。
- 最终性（Finality） – 交易一旦确认即不可逆转。
展望
此举标志着 XRPL 成熟为一个为未来十年机构金融和去中心化创新做好准备的平台的关键一步。
从 code‑as‑truth 向 mathematics‑as‑truth 的转变正在进行中。我们邀请您阅读 XRP Ledger Payment Engine Specification。在该规范的基础上，我们将在 2026 年开始对支付引擎进行形式化验证，随后是共识协议的验证。