[论文解读] LightChain: A DHT-based Blockchain for Resource Constrained Environments

Yahya Hassanzadeh-Nazarabadi, Alpteki̇n Küpçü+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 61被引用 27

一句话总结

LightChain 提出了一种基于 DHT 的无许可区块链，其运行于跳表（Skip Graph）覆盖网络之上，可在资源受限环境中实现高效、可扩展且公平的共识。通过利用内容寻址存储和按需检索机制，与比特币和以太坊相比，LightChain 将每个节点的存储需求降低了约 66 倍，启动时间缩短了约 380 倍，同时确保在多数节点被攻破的情况下仍能实现确定性分叉解决和安全性。

ABSTRACT

As an append-only distributed database, blockchain is utilized in a vast variety of applications including the cryptocurrency and Internet-of-Things (IoT). The existing blockchain solutions have downsides in communication and storage efficiency, convergence to centralization, and consistency problems. In this paper, we propose LightChain, which is the first blockchain architecture that operates over a Distributed Hash Table (DHT) of participating peers. LightChain is a permissionless blockchain that provides addressable blocks and transactions within the network, which makes them efficiently accessible by all the peers. Each block and transaction is replicated within the DHT of peers and is retrieved in an on-demand manner. Hence, peers in LightChain are not required to retrieve or keep the entire blockchain. LightChain is fair as all of the participating peers have a uniform chance of being involved in the consensus regardless of their influence such as hashing power or stake. LightChain provides a deterministic fork-resolving strategy as well as a blacklisting mechanism, and it is secure against colluding adversarial peers attacking the availability and integrity of the system. We provide mathematical analysis and experimental results on scenarios involving 10K nodes to demonstrate the security and fairness of LightChain. As we experimentally show in this paper, compared to the mainstream blockchains like Bitcoin and Ethereum, LightChain requires around 66 times less per node storage, and is around 380 times faster on bootstrapping a new node to the system, while each LightChain node is rewarded equally likely for participating in the protocol.

研究动机与目标

• 为解决现有区块链在通信、存储和共识开销方面的可扩展性与效率问题。
• 通过确保所有对等节点无论计算能力或代币持有量如何，均有均等的参与机会，消除共识中的中心化倾向。
• 解决传统区块链中因依赖概率性分叉解决机制而导致的一致性问题。
• 通过结构化的 DHT 覆盖网络，实现对区块和交易的高效按需访问。
• 确保在存在多数对等节点被攻破的对抗性条件下，系统仍具备可用性和安全性。

提出的方法

• LightChain 在基于跳表的分布式哈希表（DHT）之上运行，为对等节点、区块和交易提供确定性且低复杂度的查找服务。
• 每个对等节点仅存储区块和交易的随机子集，从而实现按需检索，而非完整账本复制。
• 共识协议采用统一的故障概率模型和随机化启动机制，确保所有对等节点在共识参与中实现公平性。
• 通过基于区块哈希和对等节点参与情况的一致性排序机制，强制执行确定性分叉解决策略。
• 系统采用黑名单机制检测并隔离试图破坏系统可用性或完整性的恶意对等节点。
• 利用超几何分布模型对安全性和可用性进行形式化证明，确保诚实对等节点总能在有限次尝试内找到足够多的诚实对等节点。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统是否能在不强制每个对等节点存储完整账本的前提下，实现高效、可扩展且公平的共识？
• RQ2 在存在网络分叉的情况下，区块链如何在不依赖概率性最长链规则的前提下，维持一致性和确定性终局性？
• RQ3 当多数对等节点为攻击者或被攻破时，区块链系统是否仍能保持安全性和可用性？
• RQ4 相较于基于流行病式传播的发现机制，使用结构化 DHT 进行内容查找的区块链，其通信与存储复杂度如何？
• RQ5 如何实现共识参与的公平性，使对等节点的参与概率与其计算能力或代币持有量无关？

主要发现

• LightChain 将每个节点的存储复杂度从传统区块链中的 O(b) 降低至 O(b/n)，与比特币和以太坊相比，存储需求降低了约 66 倍。
• 由于通过 DHT 实现按需内容检索，LightChain 中新节点的启动时间比主流区块链快约 380 倍。
• 在部分同步网络环境及攻击者控制多数对等节点的情况下，只要诚实对等节点数量足够，系统仍能维持服务可用性。
• LightChain 确保确定性分叉解决，并能抵御合谋攻击者对系统可用性或完整性的破坏。
• 数学分析表明，诚实对等节点总能在单轮采样内找到最小数量的诚实对等节点，从而保障活性和共识进展。
• 系统通过赋予所有对等节点相等的被选中概率，实现共识参与的公平性，无论其算力或代币持有量如何。