TEE技术在Web3中的应用与潜力

自比特币和以太坊诞生以来，加密货币行业一直存在"不可能三角"的问题，即无法同时实现去信任、高效率和通用性。虽然出现了支付通道、Rollup和模块化区块链等解决方案，但它们都无法做到完全通用。对于特定场景如可编程签名，仍需引入其他技术方案。

随着行业发展，可信执行环境(TEE)逐渐融入Web3生态。TEE通过硬件级的数据隔离和完整性保护，在保证安全的同时为加密货币应用带来新的可能性。本文将通过几个案例探讨TEE在Web3中的应用，揭示其巨大潜力及未来可能出现的新场景。TEE有望在MEV、公链性能扩展和免信任签名等方面发挥重要作用，在需要隐私保护的场景中占据一席之地。

TEE简介

TEE是处理器或数据中心内隔离出的安全区域,可以在其中执行程序而不受包括操作系统在内的其他程序干扰。与软件层面的安全措施不同,TEE通过特殊硬件确保外部实体无法观测或访问其内部数据,为敏感计算和数据构建屏障。

TEE的另一大特性是完整性,即TEE中运行的代码完全按预设逻辑执行,不存在外部操纵可能。TEE硬件会对外提供内部执行代码的哈希值及签名,任何与TEE交互的人都可以核对这个哈希值,确定TEE内部运行的程序是否正确。

TEE内部有一个根密钥用于生成签名。密钥生成方式有两种:一种是由芯片生产商在外部生成并存储在芯片中,如Intel SGX芯片;另一种更新颖的方法是在TEE内部嵌入随机数模块,首次使用时自动生成密钥,这样连芯片制造商也无法知道密钥内容。

大多数资料侧重TEE的安全性,但完整性及其验证过程也非常重要。用户可以验证TEE对程序哈希值生成的签名,这个过程称为远程认证。对于任何TEE应用,我们都可以相信其内部敏感数据不会被窃取,也可以验证程序是按开源代码执行的。

不过,TEE并非完全免信任,用户仍需信任硬件供应商正确实施了完整工艺流程且硬件中不含后门。同时,用户可以执行远程认证,避免TEE所在主机的运行方将程序置于非TEE环境中。

Web3中的典型TEE应用场景

TEE-Boost:让区块构建流程更去中心化

在以太坊生态中,TEE被用于解决MEV的中心化问题。目前以太坊网络大部分节点都接入了MEV-Boost中间件,而后者高度依赖于集中化的Relay服务。MEV-Boost的工作流程如下:

1. Searcher从公共交易池中寻找MEV机会,将交易排序成列表交给Builder
2. Builder选择几个不冲突的交易序列聚合为区块,并声明支付给出块者的小费
3. Relay作为中介收集多个Builder提交的区块,选择小费最多的区块头发送给Validator
4. Validator对区块头签名广播,Relay确认后发送完整区块给Proposer进行第二次广播

在这个过程中,Relay扮演着重要角色,需要保证隐私、区块有效性、数据可用性和小费最高。然而,目前MEV-Boost高度依赖于集中化的Relay服务商,存在潜在作恶风险。

为解决这一问题,TEE-Boost提出了革命性方法。它利用TEE消除对Relay的信任假设,同时保留MEV-Boost架构内的所有安全保证。TEE-Boost取缔了Relay角色,让Builder直接在TEE中运行代码,通过远程验证证明区块有效性。Proposer直接对接多个Builder,选择小费最高的区块头签名,Builder再出示完整区块内容。这种方式消除了中介环节,Builder无需担心区块内容提前泄露。

Rollup-Boost:使用TEE扩展Layer2

Rollup-Boost是Flashbot与Uniswap Labs、OP Labs合作开发的Rollup构建方案,目前用于Unichain。它实现了两个扩展模块:

1. 250ms确认的"Flashblocks":提供超高速交易确认
2. 可验证的优先级排序:严格按交易支付的优先费用排序,允许智能合约回收部分MEV收益

Flashblocks的核心是在TEE内将交易打包并生成区块碎片广播,Unichain验证者收集多个碎片打包为完整区块。这种方法提高了带宽利用率,可以提升TPS并加快交易确认速度。由于区块碎片在TEE内生成,验证者可以省去验证区块数据的工作量。

可验证优先级排序利用TEE特性提供可信的交易排序结果,任何第三方都可以信任TEE内的出块程序不含恶意逻辑。如果程序不在TEE内执行,交易排序可能无法完全按优先级进行,出块者可能会出于利益诉求手动调整交易次序。

DeepSafe:新一代免信任门限签名方案

DeepSafe引入TEE和ZK,原创了全流程保密的抽签+签名方案CRVA(加密随机AI验证网络)。CRVA通过抽签算法随机选择验证节点,验证消息有效性并生成门限签名。其工作流程简化如下:

1. CRVA节点核心模块运行在TEE内,在DeepSafe官方公链上留下永久公钥注册身份
2. 节点在TEE中生成临时公钥,并生成ZK Proof证明与链上永久公钥的关联
3. 节点在TEE内加密临时公钥,将密文与ZKP发送给Relayer
4. Relayer在TEE内解密还原临时公钥集合,提交至链上调用VRF函数随机选择验证者
5. 广播待验证消息,节点用TEE内临时公钥验证自己是否属于委员会,选择参与签名
6. DeepSafe采用链上远程证明,保证CRVA节点计算流程在TEE内严格进行

CRVA方案的核心是几乎所有重要活动都发生于TEE内部,外界只能看到加密后的密文。包括Relayer在内,没人知道哪些节点是验证人,从根本上防止了串谋和外部攻击。

这套基于TEE和隐私计算的免信任门限签名方案,可应用于多签钱包、资产托管、跨链桥、预言机等多个场景。比如,CRVA可以作为智能合约钱包验证流程的补充,构造2FA双因素验证,增加用户资产安全性。

TEE的未来应用

TEE协处理器:连接Web2和Web3

TEE协处理器是TEE未来最有前景的场景之一。它使用可证明的链下计算取代成本高昂的链上计算,类似Rollup思路。我们可以将复杂计算、数据处理和算法操作放在TEE中执行,通过加密证明在链上验证结果。

这种方法可为EVM生态内智能合约提供低成本且隐私的计算能力。例如,AMM合约的复杂算法可以在TEE内执行,合约更新参数时只需向TEE程序发起请求即可直接收到结果。

此外,还可创造新的应用类型。如Teleport项目通过TEE协处理让智能合约控制Twitter帐户,用户可将Twitter授权给TEE自动操作。更有趣的是在TEE内部调用LLM的API,实现复杂条件判断。DeepSafe正在探索基于TEE的AI预言机,可调用LLM检索外部数据,为预测市场提供更准确的事件结果。

加密内存池和隐私交易

基于TEE的机密性,我们可以构建完全隐私的交易处理工作流。传统内存池会暴露交易内容,为MEV攻击创造机会,而基于TEE的加密内存池可确保交易全程高度保密。

用户可直接向TEE排序器提交加密交易,交易解密、排序、执行全过程都在TEE内进行,外部不可见。最后只将交易执行后的最新状态更改发布到区块链上。

TEE多证明器系统

TEE还可为Rollup充当证明器,作为ZK和OP之外的技术补充。Scroll、Taiko等知名Rollup项目都采用了TEE证明器,这种方法比ZK更高效快速,也便于迭代。

结语

TEE代表了区块链领域最重要的技术发展之一,为解决性能、隐私和去中心化之间的矛盾提供了可行途径。通过硬件保证的隔离性和完整性,TEE能支持新的应用类别,同时保持区块链系统的信任最小化特性。

从MEV-Boost的去中心化区块构建到Rollup-Boost的性能提升,再到DeepSafe的高级安全机制,TEE技术展现了巨大的变革潜力。这些应用证明TEE能带来立竿见影的实际效益,同时为未来更具雄心的应用奠定基础。

区块链基础设施的未来很可能是多种技术的复杂组合,每种技术都针对特定用例和安全需求进行优化。TEE将在这个多方面的生态系统中发挥关键作用,提供将区块链应用推向主流采用所需的性能和功能,同时保留其独特的去中心化、无需信任的属性。