[论文解读] Scaling Blockchains: Can Committee-Based Consensus Help?

Alon Benhaim, Brett Hemenway+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2021

Blockchain Technology Applications and Security被引用 5

一句话总结

本文研究了区块链中的委员会共识（CBC），表明批准投票可实现比基于抽奖或单选投票更快速、更安全且委员会规模更小的共识。尽管最优投票策略较为复杂，但直观的投票行为会以指数速度收敛至最优，使CBC比当前基于质押权重的抽奖协议（如以太坊）更具鲁棒性和效率。

ABSTRACT

In the high-stakes race to develop more scalable blockchains, some platforms (Binance, Cosmos, EOS, TRON, etc.) have adopted committee-based consensus (CBC) protocols, whereby the blockchain's record-keeping rights are entrusted to a committee of elected block producers. In theory, the smaller the committee, the faster the blockchain can reach consensus and the more it can scale. What's less clear, is whether such protocols ensure that honest committees can be consistently elected, given blockchain users typically have limited information on who to vote for. We show that the approval voting mechanism underlying most CBC protocols is complex and can lead to intractable optimal voting strategies. We empirically characterize some simpler intuitive voting strategies that users tend to resort to in practice and prove that these nonetheless converge to optimality exponentially quickly in the number of voters. Exponential convergence ensures that despite its complexity, CBC exhibits robustness and has some efficiency advantages over more popular staked-weighted lottery protocols currently underlying many prominent blockchains such as Ethereum.

研究动机与目标

• 分析可扩展区块链系统中委员会共识（CBC）协议的可行性与效率。
• 研究信息有限的区块链用户如何通过批准投票有效选举出可信且高效的委员会。
• 从安全性和性能角度，比较基于批准投票的CBC与现有机制（如质押权重抽奖和单选投票）的差异。
• 评估在非最优但实际可行的投票策略下，批准投票的鲁棒性。
• 探讨委员会规模、用户行为及收敛速度对共识效率与去中心化程度的影响。

提出的方法

• 使用批准投票建模区块链委员会选举，其中选民可支持多个候选人。
• 通过基数投票策略（如批准前k名候选人）分析用户行为，并与最优策略进行比较。
• 采用泊松二项分布和广义泊松二项分布建模不同委员会选择机制下的区块生成成功率。
• 通过100,000次样本的实证模拟，评估投票策略的失败率与收敛速度。
• 证明随着选民数量增加，非最优投票策略会以指数速度收敛至最优性能。
• 在相同安全阈值下，比较基于抽奖、单选和批准投票的共识机制对委员会规模的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在失败率和所需委员会规模方面，委员会共识中的批准投票是否优于基于质押权重的抽奖协议？
• RQ2 在大规模区块链选举中，直观但非最优的投票策略收敛至最优性能的速度如何？
• RQ3 用户信息受限对去中心化区块链中委员会选举有效性有何影响？
• RQ4 在实现安全高效共识方面，批准投票与单选及抽奖机制相比表现如何？
• RQ5 尽管早期区块链生命周期可能存在停滞风险，批准投票在多大程度上仍能保持去中心化与链质量？

主要发现

• 在相同安全水平下，批准投票相比基于抽奖的共识可显著减小委员会规模，降低失败率。
• 即使采用非最优的基数阈值（如仅批准前5名候选人），投票策略也会随着选民数量增加而以指数速度收敛至最优性能。
• 在相同条件下，批准投票共识的失败率低于单选和基于抽奖的机制。
• 理论分析证实，即使用户采用简化策略，批准投票在安全性和效率方面仍优于其他机制。
• 尽管早期区块链阶段可能存在停滞问题，批准投票仍保持对现有协议的鲁棒性与可扩展性优势。
• 即使在质押权重投票下，指数收敛与性能优越性的定性结论依然成立，尽管分布函数更为复杂。