[论文解读] ALGORAND: The Efficient and Democratic Ledger.

Silvio Micali|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用 82

一句话总结

Algorand 提出了一种无需许可的去中心化账本协议，用基于密码学安全且可验证的随机性领导者选择机制取代工作量证明，从而在计算量最小化的情况下实现高吞吐量和最终性。该协议确保交易最终性且不会产生分叉，可高效支持可扩展的区块链应用，如支付和智能合约。

ABSTRACT

Algorand is a truly decentralized, new, and secure way to manage a shared ledger. Unlike prior approaches based on {\em proof of work}, it requires a negligible amount of computation, and generates a transaction history that does not fork with overwhelmingly high probability. This approach cryptographically selects ---in a way that is provably immune from manipulations, unpredictable until the last minute, but ultimately universally clear--- a set of verifiers in charge of constructing a block of valid transactions. This approach applies to any way of implementing a shared ledger via a tamper-proof sequence of blocks, including traditional blockchains. This paper also presents more efficient alternatives to blockchains, which may be of independent interest. Algorand significantly enhances all applications based on a public ledger: payments, smart contracts, stock settlement, etc. But, for concreteness, we shall describe it only as a money platform.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化账本协议，消除对能源密集型工作量证明的依赖，同时保持强大的安全性和最终性。
• 解决现有无需许可区块链中区块链分叉和最终性不确定性的问题。
• 实现一种可扩展、高效且民主的共识机制，适用于支付和智能合约等现实世界应用。
• 提供一种可证明安全且不可预测的块提议者选择方法，无需依赖计算能力。

提出的方法

• 利用可验证随机函数（VRF）以密码学方式选择一组验证者，其选择过程在最后一刻前不可预测，但可被普遍验证。
• 采用两阶段投票协议，所选验证者以防止操纵的方式就下一个区块达成共识，确保最终性。
• 依赖密码学技术，确保验证者的选取过程不受操纵，且无法被攻击者预测。
• 引入一种最终性机制，即使在对抗性条件下，也能以极大概率保证不产生分叉。
• 设计一种可随网络规模高效扩展的协议，最大限度减少通信和计算开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化账本如何在不依赖工作量证明或长程攻击的情况下实现最终性？
• RQ2 可验证随机函数能否以不可预测且抗操纵的方式选择区块提议者？
• RQ3 在无需许可的区块链系统中，实现共识和最终性所需的最低计算成本是多少？
• RQ4 如何设计一种既可扩展又对对抗行为具有安全性的区块链协议？

主要发现

• 该协议以极大概率实现无分叉的交易最终性，确保强一致性。
• 与工作量证明相比，其计算量可忽略不计，显著降低了能源消耗。
• 使用可验证随机函数确保区块提议者的选择过程不可预测且具有密码学安全性。
• 系统保持高吞吐量和低延迟，适用于支付和智能合约等实时应用。