[论文解读] Algorand

Bezerra, João Paulo, Anikina, Veronika+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用 7

一句话总结

Algorand 提出一种基于拜占庭协议的公共账本协议，通过在验证者选择中使用算法随机性，实现高效率和强一致性，从而无需依赖计算密集型的工作量证明。其分叉概率小于 10^18 分之一，可提供可扩展、民主化且安全的区块链替代方案，计算开销极低。

ABSTRACT

A public ledger is a tamperproof sequence of data that can be read and augmented by everyone. Public ledgers have innumerable and compelling uses. They can secure, in plain sight, all kinds of transactions ---such as titles, sales, and payments--- in the exact order in which they occur. Public ledgers not only curb corruption, but also enable very sophisticated applications ---such as cryptocurrencies and smart contracts. They stand to revolutionize the way a democratic society operates. As currently implemented, however, they scale poorly and cannot achieve their potential. Algorand is a truly democratic and efficient way to implement a public ledger. Unlike prior implementations based on proof of work, it requires a negligible amount of computation, and generates a transaction history that will not "fork" with overwhelmingly high probability. Algorand is based on (a novel and super fast) message-passing Byzantine agreement. For concreteness, we shall describe Algorand only as a money platform.

研究动机与目标

• 设计一种既高度高效又密码学安全的公共账本系统，避免工作量证明系统带来的计算浪费与中心化风险。
• 实现防篡改、一致的交易历史，且分叉概率可忽略不计（例如 10^18 分之一）。
• 通过赋予所有用户在区块验证中平等的影响力，实现共识中的真正民主，消除类似矿工的层级角色。
• 为需要高吞吐量与低延迟的应用提供一种可扩展且实用的区块链架构替代方案。
• 通过确保可验证性、公平性与抗操纵性，解决法律与政治层面的担忧。

提出的方法

• 使用一种新颖的超高速消息传递拜占庭协议，以达成对账本中下一个区块的共识。
• 采用算法随机性，从所有用户中概率性地选择一组验证者，确保选择过程不可预测且在最后一刻前难以操纵。
• 验证者的选择基于账本的当前状态，确保选择过程既公平又具有密码学安全性。
• 每轮包含多个步骤，验证者对下一个区块进行投票；当收集到 tH 个签名的阈值时，即达成共识。
• 引入流水线机制以提升吞吐量并降低延迟，增强可扩展性。
• 使用切尔诺夫不等式与概率分析，形式化证明即使在网络分区或恶意行为下，分叉发生的概率也可忽略不计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于拜占庭协议构建公共账本，实现高效率与强一致性，而无需依赖工作量证明？
• RQ2 如何选择验证者，使其既不可预测又公平，确保无用户或群体能操纵选择过程？
• RQ3 在对抗性网络条件下，账本分叉的最大概率是多少？能否使其可忽略不计（例如 10^-18）？
• RQ4 去中心化系统能否在不牺牲去中心化特性的情况下，实现类似可信中心化权威的安全性与性能？
• RQ5 协议在网络分区下表现如何？能否防止持久分叉或模糊状态？

主要发现

• Algorand 协议确保账本分叉的概率小于 10^18 分之一，正常条件下可视为不可能发生。
• 该协议以可忽略的计算开销达成共识，消除了比特币等工作量证明系统带来的能源浪费。
• 所有用户在共识过程中具有平等影响力，无用户或群体能获得不成比例的权力，确保真正的去中心化。
• 即使在对抗性网络分区下，分叉也是短暂的，且在单轮内解决，最多只有一个分支能获得足够签名以继续增长。
• 使用切尔诺夫不等式的正式概率分析表明，诚实与恶意验证者在各步骤中的总和始终低于同时认证两个竞争区块所需的阈值。
• 即使攻击者控制了网络的较大比例，只要无法维持长期网络分区，协议仍能保持安全与一致性。