[论文解读] Delayed Blockchain Protocols

Drew Stone|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在工作量证明区块链中的延迟奖励机制，通过欺诈证明模仿权益证明中的惩罚机制，利用延迟支付来惩罚恶意矿工。通过将未来奖励与长期诚实参与挂钩，该协议构建了子博弈完美均衡，从而在不改变诚实矿工奖励的前提下，阻止双重支付攻击。

ABSTRACT

Given the parallels between game theory and consensus, it makes sense to intelligently design blockchain or DAG protocols with an incentive-compatible-first mentality. To that end, we propose a new blockchain or DAG protocol enhancement based on delayed rewards. We devise a new method for imposing slashing conditions on miner behavior, using their delayed rewards as stake in a Proof of Work system. Using fraud proofs, we can slash malicious miner behavior and reward long-lived, honest behavior.

研究动机与目标

• 通过使用博弈论重新思考激励结构，解决现有区块链协议在安全性和可扩展性方面的局限性。
• 设计一种机制，使工作量证明系统中实现长期诚实的挖矿行为，而无需转向权益证明。
• 通过延迟奖励构建一种类似质押惩罚的惩罚机制，从而阻止共谋和恶意行为。
• 形式化一个框架，使矿工在双重支付后需重新投资新密钥对并完成额外的工作量证明，从而增加其成本。
• 使协议设计者能够调节参数（k, d, γ）以平衡攻击成本与诚实矿工的奖励，确保系统的长期稳定性。

提出的方法

• 提出一种（k,d,γ）-延迟协议，其中奖励延迟k轮，并以指数γ衰减，从而惩罚短期矿工。
• 采用奖励延迟机制，矿工在被惩罚后必须完成d轮额外的工作量证明才能获得奖励。
• 使用欺诈证明检测并验证双重支付尝试，触发未来奖励的惩罚。
• 应用带折现效用的子博弈完美纳什均衡分析，证明在特定参数条件下诚实行为成为主导策略。
• 定义奖励衰减函数，使矿工的未来奖励按e^{-γ*k}衰减，γ参数可调节以惩罚临时或共谋矿工。
• 扩展挖矿协议，支持时间锁交易，并维护一个全局公开密钥列表（pks^(t)），以追踪矿工身份并强制执行延迟奖励规则。

实验结果

研究问题

• RQ1 工作量证明区块链中的延迟奖励机制能否实现k-鲁棒的子博弈完美纳什均衡，从而阻止共谋和双重支付？
• RQ2 如何将欺诈证明与延迟奖励结合，以在不改变底层共识机制的前提下模拟基于质押的惩罚？
• RQ3 需要哪些参数设置（k, d, γ）才能使双重支付无利可图，同时保持对诚实、长期矿工的激励？
• RQ4 通过γ实现的未来奖励指数衰减如何影响攻击的盈利能力及均衡的稳定性？
• RQ5 能否使用现有区块链原原子（如时间锁交易和公钥追踪）实现（k,d,γ）-延迟协议？

主要发现

• 当重新进入成本（d轮工作量证明）和奖励衰减（γ）超过攻击收益时，（k,d,γ）-延迟协议可使双重支付无利可图。
• 双重支付攻击的盈利条件为ε = O(k * δ^k * e^{-γ*k})，表明增加d或γ可降低攻击的盈利能力。
• 诚实矿工从协议中受益，因为他们只需一次性完成启动阶段的工作量证明，而恶意矿工在被列入黑名单后需反复承担成本。
• 当诚实行为的折现效用超过偏离行为的效用时，协议达到子博弈完美均衡，该条件通过涉及δ、α、β和k的不等式形式化。
• 通过γ实现的奖励衰减可参数化，以有利于长期、信誉良好的矿工，同时惩罚短期或共谋矿工。
• 该协议可使用现有区块链原原子（如时间锁交易和全局公钥追踪pks^(t)）实现，支持向后兼容的部署。