[论文解读] Bitcoin Cooperative Proof-of-Stake

Stephen L. Reed|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出对比特币进行硬分叉重构，以协作式权益证明共识机制取代工作量证明机制，利用防篡改日志和可信骨干节点网络，实现亚秒级交易处理。该系统在保持比特币核心不变量的同时，实现了更低的交易成本、更快的确认速度，并通过可扩展的企业级基础设施向持币参与者支付分红。

ABSTRACT

A hard-fork reconfiguration of the peer to peer Bitcoin network is described that substitutes tamper-evident logs and proof-of-stake consensus for proof-of-work consensus. The block creation rewards and transaction fees are reallocated to establish and staff a secure financial data network capable of handling the world's transactions with subsecond response time. The new system pays dividends to stake-offering bitcoin holders. In contrast to Satoshi Nakamoto's mesh network consisting of competing peers, this system uses an enterprise class network that is efficient, robust, and scalable, consisting of cooperating peers. The network backbone nodes host trustless nomadic agents. Thousands of distributed full nodes are paid to replicate a singleton blockchain built upon every 10 minutes by a nomadic mint agent whose actions are verified by its peers. This arrangement enables immediate acknowledgment to an issuing node that its transaction has been accepted. Less effort means that subsidized transaction costs will be lower. Network reconfiguration enables the processing of numerous microtransactions. Stake-weighted distributed consensus is achieved when necessary with less than one-half arbitrarily faulty nodes. Important invariants of the Satoshi Social Contract between core developers and users are maintained: The reward schedule, the blockchain format, the fixed number of bitcoins, and the decentralized, trustless protocol are untouched. The system remains a global distributed database, with additions to the database by consent of the majority, based on a set of transparent rules they follow.

研究动机与目标

• 重新设计比特币的共识机制，以提升可扩展性、速度和成本效率，同时保持去中心化和无信任特性。
• 以协作式权益证明模型取代工作量证明，降低能耗并提高网络效率。
• 通过可信节点骨干网络和移动代理，实现交易的即时确认并支持微支付。
• 保持原始比特币协议的关键不变量，包括2100万枚比特币的固定供应量和区块链格式。
• 建立一个安全、可扩展的金融数据网络，能够以低延迟处理全球交易量。

提出的方法

• 用协作式、企业级的骨干节点网络取代比特币的点对点工作量证明网络，该网络托管无信任的移动代理。
• 引入移动铸币代理，每10分钟生成一个新区块，由其对等节点验证，以维持单一区块链。
• 使用防篡改日志，确保分布式全节点间区块链状态的可审计性和完整性。
• 将区块奖励和交易费用重新分配给提供其比特币作为质押的参与者，建立基于分红的激励模型。
• 采用质押加权共识，即使少于一半节点发生任意故障，也能达成共识。
• 保留原始比特币协议规则，包括固定的发行时间表和去中心化的无信任架构。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重构比特币的共识机制，实现在不损害去中心化前提下的亚秒级交易确认？
• RQ2 为替换工作量证明为协作式权益证明模型，需要哪些架构变更，同时保持核心协议不变量？
• RQ3 能否在不牺牲无信任特性的前提下，通过可信节点骨干网络和移动代理构建一个可扩展、低延迟的金融网络？
• RQ4 如何通过基于质押的奖励模型补贴交易费用并降低交易成本？
• RQ5 在对抗性条件下，协作式权益证明系统可实现的故障容忍水平是多少？

主要发现

• 所提出的系统通过协作式骨干节点网络和移动代理，实现交易的即时确认。
• 由于计算工作量减少和网络运营得到补贴，交易成本预计将显著降低。
• 系统保持了原始比特币区块链格式、2100万枚比特币的固定供应量和发行时间表，从而维护了核心协议不变量。
• 质押加权共识确保即使少于一半节点发生故障，网络仍能保持可用性和一致性。
• 网络骨干支持全球交易处理，响应时间低于一秒，可实现高吞吐量微支付处理。
• 通过分红支付激励全节点复制区块链，确保网络长期完整性与参与度。