[论文解读] StakeDag: Stake-based Consensus For Scalable Trustless Systems

Quan Nguyen, André Cronje+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 20被引用 5

一句话总结

StakeDag 提出了一种基于权益的共识协议 $S_{\ho}$，构建于 DAG 架构之上，以在无信任系统中实现可扩展的、无领导者的拜占庭容错（BFT）共识。通过按权益分配验证权，并使用分层事件组织及 Clotho/Atropos 最终性机制，该协议实现了稳定最终性与高效的交易确认，具备实际的 BFT 保障。

ABSTRACT

Trustless systems, such as those blockchain enpowered, provide trust in the system regardless of the trust of its participants, who may be honest or malicious. Proof-of-stake (PoS) protocols and DAG-based approaches have emerged as a better alternative than the proof of work (PoW) for consensus. This paper introduces a new model, so-called \emph{\stakedag}, which aims for PoS consensus in a DAG-based trustless system. We address a general model of trustless system in which participants are distinguished by their stake or trust: users and validators. Users are normal participants with a no assumed trust and validators are high profile participants with an established trust. We then propose a new family of stake-based consensus protocols $\mathfrak{S}$, operating on the DAG as in the Lachesis protocol~\cite{lachesis01}. Specifically, we propose a stake-based protocol $S_ϕ$ that leverages participants' stake as validating weights to achieve more secure distributed systems with practical Byzantine fault tolerance (pBFT) in leaderless asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We then present a general model of staking for asynchronous DAG-based distributed systems.

研究动机与目标

• 设计一种可扩展的、无领导者的共识协议，用于无信任系统，利用权益作为验证权的衡量标准。
• 通过基于 DAG 的事件传播，减少工作量证明（PoW）和传统权益证明（PoS）的局限性，降低能耗并提升确认速度。
• 在异步、去中心化的网络中，通过权益加权验证与分层事件排序，实现实际的拜占庭容错（pBFT）。
• 通过基于 Clotho 和 Atropos 块的新型根选择与主链构建机制，确保分布式账本的强一致性和最终性。
• 形式化一种支持委托、基于交易的质押以及动态权重分配的质押模型，以增强安全性和去中心化。

提出的方法

• 提出一种称为 S-OPERA 链的权益加权 DAG 结构，其中事件块根据 Lamport 时间戳分配层级，并分配验证权。
• 引入一种分层机制 $\phi_{LPL}$，根据事件的深度及其引用的验证事件数量，将事件分配到帧中，确保节点间的一致分层。
• 采用根选择过程，基于前一帧事件的多数（2/3）主导性，在每个帧中识别根，从而在一致链上实现一致的根图。
• 将 Clotho 和 Atropos 块定义为最终性标记：当一个根被前一帧事件中超过 2/3 的根主导时，即被选为 Clotho；而 Atropos 是锚定主链的已最终化 Clotho。
• 使用标志表追踪每个事件到加权根的可达性，从而在节点间实现一致的验证评分。
• 从 Atropos 块构建主链，以提供全局有序、可最终化的账本，实现快速交易确认与全局状态同步。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无领导者、异步的基于 DAG 的共识协议中有效利用权益作为验证权重，以实现实际的拜占庭容错？
• RQ2 在动态、异步网络中，哪些机制能确保跨分布式节点的一致分层、根选择及最终性标记（Clotho/Atropos）分配？
• RQ3 如何设计一种质押模型，以同时支持直接质押与委托，同时在基于 DAG 的账本中保持安全性和一致性？
• RQ4 在对抗性条件下，基于权益加权的 DAG 系统中，可形式化证明的一致性与最终性保证有哪些？
• RQ5 分层事件结构与主链构建如何在可扩展的无信任系统中实现高效的交易确认与全局状态估计？

主要发现

• S_{\rho} 协议通过 $\phi_{LPL}$ 分层函数在诚实节点间实现一致分层，确保所有节点在一致链中为任一事件分配相同的层级。
• 在一致链之间，根图保持一致，即若两条链一致，则它们为每个帧分配相同的根集合，从而确保事件血缘关系的全局一致。
• 对于一致链中的任意事件，标志表与验证评分在所有节点间保持一致，因为它们仅依赖于一致的根集合与权益权重。
• Clotho 与 Atropos 块在所有诚实节点间一致选择，确保由最终化 Atropos 块构成的主链在所有诚实节点上完全相同。
• 主链提供一个全局有序、可最终化的账本，支持快速交易确认、全局状态估计，并能检测冲突交易。
• 形式化证明表明，该协议在异步 DAG 环境下实现了实际的拜占庭容错（pBFT），最终性通过一种基于权益加权、无领导者的共识机制实现。