[论文解读] Scalable Consensus Protocols for PoW based Blockchain and blockDAG

B. Swaroopa Reddy, G. V. V. Sharma|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 19被引用 6

一句话总结

本文提出了两种可扩展的权益证明工作量（PoW）区块链共识协议：基于Erdös-Rényi网络建模的最长链区块链最优区块生成速率模型，以及一种基于无监督学习的新型blockDAG共识协议（UL-blockDAG），通过聚类恶意区块并拓扑排序诚实区块，提升吞吐量并抵抗双重支付攻击。UL-blockDAG协议实现了每秒最多一个区块的吞吐量，具备出色的公平性与安全性。

ABSTRACT

In this paper, we propose two models for scaling the transaction throughput in Proof-of-Work (PoW) based blockchain networks. In the first approach, a mathematical model has derived for optimal transaction throughput for PoW based longest chain rule blockchain. In this approach, the blockchain Peer-to-Peer (P2P) network is considered as Erdös-Rényi random network topology. This approach is however limited by the block creation rate, the results suggest that the rate beyond an optimal point can result in unfairness in the system. The second approach is a new consensus protocol proposed by considering the ledger as a Directed Acyclic Graph (DAG) called blockDAG instead of a chain of blocks. In this framework, we follow a two-step strategy that makes the system robust enough to handle the double-spend attacks. The first step involves the development of an unsupervised learning graph clustering algorithm for separating the blocks created by an attacker. In the second step, the attackers blocks are eliminated and the remaining blocks are arranged in topological order by honest clients which makes the blockDAG system suitable for smart contract applications found in Internet of Things (IoT) services. The Simulation results demonstrate a significant improvement in the transaction throughput compared to bitcoin.

研究动机与目标

• 为解决比特币10分钟区块间隔导致的低交易吞吐量（3-4 TPS）与可扩展性限制。
• 通过优化区块生成速率以防止高算力矿工主导，提升PoW区块链中的公平性。
• 为基于DAG的账本（blockDAG）设计一种安全、可扩展的共识机制，以抵抗双重支付攻击。
• 通过诚实区块的拓扑排序，实现物联网与智能合约应用的快速、可靠交易确认。
• 确保矿工奖励与其算力成比例分配，维持系统公平性。

提出的方法

• 将区块链P2P网络建模为Erdös-Rényi随机图，推导出主链增长速率作为区块生成速率（\lambda）的凹函数。
• 建立优化问题，在攻击者算力（q）与网络延迟直径（D）约束下最大化交易吞吐量（TPS），得出最优 \lambda = 1/D。
• 提出UL-blockDAG：一种两步共识协议，节点首先应用无监督谱图聚类，基于低连通性将双重支付攻击者生成的区块隔离。
• 聚类完成后，剩余连通性良好的区块（诚实区块）通过拓扑排序形成线性、有序账本，适用于智能合约。
• 通过仿真验证在不同攻击者算力（q = 0.33 和 q = 0.51）下区块增长速率、公平性与双重支付抵抗能力。
• 将理论确认时间下限与仿真区块增长速率进行对比，验证效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不损害公平性的前提下，PoW最长链区块链中最大化交易吞吐量的最优区块生成速率（\lambda）是多少？
• RQ2 将 \lambda 超过最优值后，对系统公平性与双重支付攻击风险有何影响？
• RQ3 无监督图聚类能否有效检测并隔离blockDAG结构中攻击者生成的区块？
• RQ4 在blockDAG中对诚实区块进行拓扑排序，能否实现适用于物联网与智能合约的快速、安全且确定性的交易确认？
• RQ5 在不同攻击条件下，UL-blockDAG协议如何维持矿工与其算力之间的奖励比例分配？

主要发现

• 最优区块生成速率为 \lambda = 1/D，其中D为网络延迟直径，可在保证公平性的同时最大化吞吐量。
• 将 \lambda 超过 1/D 会导致不公平，高算力矿工占据主导地位，同时增加双重支付风险。
• UL-blockDAG协议通过基于低连通性的无监督图聚类，成功隔离了攻击者区块（q = 0.33 与 q = 0.51）。
• 过滤后，剩余的诚实区块被拓扑排序，实现对智能合约应用的快速、确定性确认。
• UL-blockDAG协议实现了约每秒一个区块的生成速率，显著优于比特币的3-4 TPS。
• 仿真结果表明，在最优最长链模型与UL-blockDAG中，矿工奖励比例均与算力比例高度一致，确保了公平性。