[论文解读] A Fair and Resilient Decentralized Clock Network for Transaction Ordering

Andrei Constantinescu, Diana Ghinea+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

本文提出去中心化时钟网络（DCN），一种许可制拜占庭一致性协议，通过基于中位数的共识为交易分配公平时间戳，确保抗前端交易攻击的公平排序。在同步环境下实现⌈f/2⌉-中位数公平性，在异步环境下实现f-中位数公平性，提供最优公平性保障，同时将时间戳生成与区块链共识解耦，降低延迟并简化系统设计。

ABSTRACT

Traditional blockchain design gives miners or validators full control over transaction ordering, i.e., they can freely choose which transactions to include or exclude, as well as in which order. While not an issue initially, the emergence of decentralized finance has introduced new transaction order dependencies allowing parties in control of the ordering to make a profit by front-running others' transactions. In this work, we present the Decentralized Clock Network, a new approach for achieving fair transaction ordering. Users submit their transactions to the network's clocks, which run an agreement protocol that provides each transaction with a timestamp of receipt which is then used to define the transactions' order. By separating agreement from ordering, our protocol is efficient and has a simpler design compared to other available solutions. Moreover, our protocol brings to the blockchain world the paradigm of asynchronous fallback, where the algorithm operates with stronger fairness guarantees during periods of synchronous use, switching to an asynchronous mode only during times of increased network delay.

研究动机与目标

• 为解决去中心化金融（DeFi）中的前端交易问题，即矿工或验证者通过操纵交易顺序获利。
• 设计一种去中心化、抗拜占庭攻击的系统，确保公平交易排序，且不依赖区块链共识机制进行排序。
• 在同步与异步网络条件下均提供强公平性保障，引入新颖的回退机制。
• 将时间戳生成与交易排序解耦，降低共识复杂度，提升系统效率。
• 通过确保交易内容在时间戳被密码学达成一致前保持不可见，防止容许性前端交易攻击。

提出的方法

• DCN 使用 n 个节点的网络，可容忍 f < n/3 的拜占庭故障，通过一种新型拜占庭一致性协议，为每笔交易达成时间戳共识。
• 时间戳基于诚实节点接收时间的中位数计算，引入 δ-误差参数以量化与真实中位数的接近程度。
• 协议默认在异步模型下运行，但当网络条件变为同步时，可提升公平性保障。
• 密码学原语确保在时间戳达成一致前，交易内容对节点不可见，防止提前操纵。
• 系统将时间戳生成与区块链共识解耦：验证者使用 DCN 时间戳对交易进行排序，保留原始区块链的共识机制。
• 协议引入一种新的公平性度量指标——δ-中位数公平性，用于量化达成的时间戳与诚实接收时间中位数的接近程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化系统是否能在不依赖区块链共识进行排序的前提下，于同步与异步网络条件下均实现公平交易排序？
• RQ2 在网络延迟不可预测时，可实现何种公平性保障？其与现有模型相比如何？
• RQ3 系统如何在保持低延迟与拜占庭容错能力的同时，防范前端交易攻击？
• RQ4 基于中位数的时间戳协议能否抵御拜占庭节点的操纵？
• RQ5 在异步与同步环境下，可实现的最优公平性边界是什么？是否可在不损害效率的前提下实现？

主要发现

• DCN 在同步网络条件下实现⌈f/2⌉-中位数公平性，该结果为最优，优于以往的公平性模型。
• 在异步条件下，协议保证 f-中位数公平性，该结果与此类设置下已知的最佳边界一致，并在最坏情况下与诚实范围公平性（Honest-Range Fairness）一致。
• 协议可容忍 f < n/3 的拜占庭故障，确保所有诚实节点就一个接近诚实接收时间中位数的时间戳达成一致。
• 通过在时间戳达成一致前隐藏交易内容，系统可防止预判性前端交易攻击。
• 将时间戳生成与共识解耦，降低了系统复杂度，实现了更低延迟的交易排序。
• 该系统与现有许可制区块链向后兼容，可无缝集成，且不降低共识层的审查抵抗性或去中心化程度。