[论文解读] Just Enough Security: Reducing Proof-of-Work Ecological Footprint.

Itay Tsabary, Alexander Spiegelman+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用 1

一句话总结

本文提出混合支出区块链（HEB），一种可调节的权益证明工作量（Proof-of-Work）协议，通过允许设计者外部调节资源支出，显著降低加密货币区块链的生态足迹。与传统PoW不同，HEB在保持对理性攻击强安全性的前提下，通过整合电费或硬件成本等现实世界支出，显著降低能源与计算成本，为传统PoW系统提供一种可持续的替代方案。

ABSTRACT

The study of Proof of Work (PoW) has culminated with the introduction of cryptocurrency blockchains like Bitcoin. These protocols require their operators, called miners, to expend computational resources and they reward them with minted cryptocurrency tokens. The system is secure from attackers who cannot expend resources at a rate equivalent to that of all benign miners. But the resource requirement is arbitrary - the product of the number of minted tokens and their real value. We present Hybrid Expenditure Blockchain (HEB), a novel cryptocurrency PoW protocol that allows its designer to tune external expenditure. To the best of our knowledge, this is the first tunable PoW protocol. Despite the reduced resource expenditure, it maintains the security guarantees of pure PoW protocols against rational attacks. HEB has practical implications, as global power expenditure on PoW blockchains exceeds that of a medium-sized country. Applying HEB in operational PoW systems can significantly reduce their ecological footprint.

研究动机与目标

• 为应对工作量证明（PoW）区块链日益增长的生态成本，其能耗水平相当于中等规模国家的水平。
• 设计一种PoW协议，允许在原始计算之外调节资源支出，从而降低环境影响。
• 在计算需求降低的情况下，仍保持与传统PoW对理性对手相同的安 全保障。
• 提供一种实用且可扩展的现有PoW系统的替代方案，实现能源与资源消耗的可测量降低。

提出的方法

• HEB引入一种混合模型，矿工必须同时消耗计算能力与外部现实资源（如电费或硬件成本）。
• 该协议允许设计者调节外部支出的相对权重，从而控制挖矿的总资源成本。
• 通过确保外部支出与计算支出的总成本对攻击者而言在经济上不可行，从而维持安全性。
• 系统采用改进的挖矿难度调节机制，综合考虑计算成本与外部成本，确保稳定的区块生成速率。
• HEB利用经济激励机制，使矿工行为与协议期望的资源支出水平保持一致。
• 该协议在理性攻击模型下形式化证明安全，假设矿工以最大化利润为目标行动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种PoW协议，允许可调节的外部资源支出，同时保持安全保证？
• RQ2 如何在不损害对理性攻击抵抗能力的前提下，减少PoW区块链的生态足迹？
• RQ3 何种机制可实现安全且可调节地将现实支出（如电费）整合到挖矿过程中？
• RQ4 与比特币等传统PoW系统相比，HEB在多大程度上可降低能耗？

主要发现

• HEB使设计者能够外部调节挖矿的总资源成本，将安全性与原始计算能力解耦。
• 即使计算支出显著降低，该协议仍能保持与纯PoW相当的理性攻击防御安全性。
• 通过整合电费或硬件成本等外部支出，HEB将PoW区块链的全球能耗足迹降低至与中等规模国家相当的水平。
• HEB在不牺牲区块生成稳定性或矿工激励一致性的情况下实现这一降低。
• 该模型在理性攻击假设下形式化安全，确保攻击者无法通过经济手段成功破坏系统。