[论文解读] A New Hybrid Consensus Protocol: Deterministic Proof Of Work

Zhuan Cheng, Gang Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文提出确定性工作量证明（DPoW），一种混合区块链共识协议，结合了映射-归约工作量证明（PoW）挖矿算法与实用拜占庭容错（PBFT）验证机制。通过将PoW计算分片分配至各节点，并利用PBFT实现确定性最终性，DPoW在不牺牲去中心化的情况下实现了高可扩展性与强一致性，支持近即时的交易最终性，并具备抵御51%攻击与双重支付攻击的能力。

ABSTRACT

The Decentralized-Consistent-Scale (DCS) Triangle defines three dimensions that illustrate the tradeoffs of the blockchain consensus mechanism. In this paper, we propose a new hybrid consensus protocol, called Deterministic Proof of Work (DPoW), which can reach high levels of scalability and consistency without significant reduction to decentralization. Our protocol introduces a Map-reduce PoW mining algorithm to perform alongside Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) verification, which together allow for transactions to be confirmed immediately, largely improving scalability. In addition, the protocol is designed such that forking cannot occur, ensuring strong consistency and security against a multitude of attacks. The Map-reduce PoW mining process ensures that no single entity can control the network, guaranteeing decentralization. We analyzed the security of our protocol by evaluating the possibility of double spending attacks, and furthermore, conducted experiments which demonstrate our claims.

研究动机与目标

• 解决区块链共识机制中的可扩展性-去中心化-一致性（DCS）权衡问题。
• 克服纯PoW（吞吐量低、能源浪费）与PBFT（可扩展性问题、去中心化程度降低）的局限性。
• 设计一种混合协议，实现在保持强安全性和去中心化的同时，实现快速且确定性的最终性。
• 通过分片化、分布式的挖矿方式，降低PoW的能源消耗与冗余计算。

提出的方法

• 提出一种映射-归约PoW算法，将PoW搜索空间划分为多个分片，分配给不同矿工，从而消除冗余计算。
• 引入两阶段共识流程：(1) 通过分片计算实现分布式PoW挖矿，(2) 由选举产生的验证组基于PBFT进行验证。
• 采用具有1/3容错阈值的PBFT，确保在少于1/3验证者故障的情况下仍能达成共识，即使在对抗性条件下亦成立。
• 采用确定性最终性：一旦区块被PBFT组验证，即不可逆，消除分叉，实现即时最终性。
• 设计验证者选举机制，可通过声誉评分与随机种子增强，提升对合谋攻击的抵抗能力。
• 使用IBLT与布隆过滤器实现高效区块广播，降低对等网络通信中的网络开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合共识协议能否同时实现高可扩展性、强一致性与高去中心化，从而突破DCS三角权衡？
• RQ2 通过映射-归约方式对PoW计算进行分片，是否能显著降低能源消耗与计算时间，同时不损害安全性？
• RQ3 PBFT验证在高吞吐量区块链系统中，能在多大程度上确保确定性最终性并防止分叉？
• RQ4 在所提出的协议下，恶意验证者的阈值是多少时，可能破坏PBFT验证层的共识？
• RQ5 与传统PoW和PBFT系统相比，该协议在抵御双重支付与51%攻击方面表现如何？

主要发现

• 该协议实现了确定性最终性：一旦区块被PBFT组验证，即不可逆，消除分叉，实现即时交易最终性。
• 当少于1/3的验证者为恶意时，PBFT组能正确验证所有区块，确保一致性和安全性。
• 当超过2/3的验证者为恶意时，他们可合谋虚假验证无效区块，证实了理论上的2/3攻击阈值。
• 实验结果表明，少于1/3的坏验证者组能正确验证所有区块，而超过2/3的坏验证者组则持续接受无效区块。
• 映射-归约PoW算法通过分布式计算显著缩短了每个区块的PoW求解时间，提升了可扩展性并减少了能源浪费。
• 该协议可抵御51%攻击，并将有效攻击阈值提高至66.6%，安全性超越传统PoW与PBFT系统。