[论文解读] A PoW-less Bitcoin with Certified Byzantine Consensus

Marco Benedetti, Francesco De Sclavis+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无需工作量证明（PoW）的许可制比特币变体，采用经认证的拜占庭容错（BFT）共识协议，并结合改进的FROST门限签名方案，实现了在可信验证者联盟中的确定性终局性与强容错能力。该系统保留了比特币的核心密码学与数据结构，同时以一种安全、高效且可动态调整的共识机制替代了工作量证明，适用于中央银行数字货币（CBDC）与企业区块链。

ABSTRACT

Distributed Ledger Technologies (DLTs), when managed by a few trusted validators, require most but not all of the machinery available in public DLTs. In this work, we explore one possible way to profit from this state of affairs. We devise a combination of a modified Practical Byzantine Fault Tolerant (PBFT) protocol and a revised Flexible Round-Optimized Schnorr Threshold Signatures (FROST) scheme, and then we inject the resulting proof-of-authority consensus algorithm into Bitcoin (chosen for the reliability, openness, and liveliness it brings in), replacing its PoW machinery. The combined protocol may operate as a modern, safe foundation for digital payment systems and Central Bank Digital Currencies (CBDC).

研究动机与目标

• 探索比特币的技术栈是否可在无需工作量证明的许可制、可信验证者环境中被重新利用。
• 解决在集中化或许可制环境中使用基于资源的共识机制所带来的不必要性与安全隐患。
• 设计一种安全、高效且可动态重构的共识协议，保留比特币的可靠性与开放性，同时实现确定性终局性。
• 评估将改进的PBFT与FROST门限签名作为现代、安全且可扩展的数字支付系统或CBDC基础的可行性。

提出的方法

• 以基于可信验证者联盟的授权证明（PoA）模型替代比特币的工作量证明共识机制。
• 集成改进的实用拜占庭容错（PBFT）协议，确保在N个验证者组成的网络中最多容忍F个故障时仍具备容错性与拜占庭弹性。
• 采用改进的灵活轮次优化Schnorr门限签名（FROST）方案，聚合区块签名，同时保持法定人数的隐私性并支持动态密钥管理。
• 通过可验证随机函数（VRF）实现密码学随机抽签，以轮换领导权并确保公平性，防止拜占庭主节点实施审查。
• 将投票权以非同质化代币（NFT）的形式在链上表示，实现验证者集合的动态重构，而无需重置区块链。
• 设计一种受闪电网络启发的第二层支付通道网络，专为许可制环境优化，以提升可扩展性与隐私性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在许可制、可信验证者环境中，是否可以在移除比特币的工作量证明共识机制的同时保留其核心密码学与数据结构栈？
• RQ2 如何高效地将拜占庭容错共识协议与门限签名结合，以在许可制区块链中同时保障安全性与性能？
• RQ3 哪些机制能够实现在不重置区块链的前提下对验证者集合进行动态重构，同时不损害安全性？
• RQ4 在基于BFT的区块链中，如何通过轮换主节点领导权实现公平性与审查抵抗？
• RQ5 该系统在多大程度上可作为中央银行数字货币（CBDC）的可行、安全且高效的基础设施？

主要发现

• 通过经认证的拜占庭共识协议，该系统实现了确定性终局性，即使在拜占庭故障下也能确保安全性和活性。
• 改进的FROST门限签名方案的集成，实现了区块签名的安全、保密聚合，保护了验证者法定人数的隐私。
• 通过基于NFT的投票权表示，支持验证者集合的动态重构，可实现密钥更新、成员增删而无需重置区块链。
• 通过使用可验证随机函数（VRF）轮换主节点领导权，提升了公平性，防止单一拜占庭主节点对交易实施审查。
• 该系统继承了比特币的强密码学与数据结构，为许可制区块链与CBDC提供了安全、开放且可扩展的基础。
• 该方法证明了一种无需工作量证明的比特币变体在技术上的可行性，其在保持比特币可靠性与开放性的同时，适用于受监管的、高可用性的金融系统。