[论文解读] Asymptotic Performance Analysis of Blockchain Protocols

Antoine Durand, Elyes Ben Hamida+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文通过将区块链协议建模为总顺序广播（TO-Broadcast）的变体，对区块链协议进行了形式化的渐近性能分析，评估了关键协议在通信复杂度和延迟方面的表现。研究发现，无许可区块链协议实现了最优的通信复杂度，但其延迟随安全参数增长；而Algorand由于其终局性机制，表现出恒定的延迟。

ABSTRACT

In the light of the recent fame of Blockchain technologies, numerous proposals and projects aiming at better practical viability have emerged. However, formally assessing their particularities and benefits has proven to be a difficult task. The aim of this work is to compare the fundamental differences of such protocols to understand how they lead to different practical performances. To reach this goal, we undertake a complexity analysis of a wide range of prominent distributed algorithms proposed for blockchain systems, under the lens of Total Order Broadcast protocols. We sampled protocols designed for very different settings and that use a broad range of techniques, thus giving a good overview of the achievements of state-of-the-art techniques. By analyzing latency and network usage, we are able to discuss each protocol's characteristics and properties in a consistent manner. One corollary result to our work is a more robust criteria to classify protocols as permissioned or permissionless.

研究动机与目标

• 建立一个一致的框架，用于基于网络效率和可扩展性比较区块链协议。
• 分析主流区块链协议在通信复杂度和延迟方面的性能，作为网络规模和安全参数的函数。
• 通过提出一种基于可扩展性的判据，解决将协议分类为许可或无许可时的模糊性。
• 评估不同共识技术（例如PoW、PoS、BFT）对渐近性能指标的影响。
• 为评估新区块链协议在实际可行性与性能权衡方面的表现，提供方法论基础。

提出的方法

• 将区块链协议建模为总顺序广播（TO-Broadcast）的实例，从而为性能评估提供统一的抽象。
• 在统一的理论框架下，分析一系列协议——比特币、Snow White、Spectre、Ouroboros、Algorand、Tendermint和HoneyBadgerBFT。
• 推导出通信复杂度（比特成本）和延迟的渐近表达式，作为网络规模（n）和安全参数（κ）的函数。
• 使用公开且无偏的随机性作为降低区块链协议通信开销的关键机制。
• 提出一种基于可扩展性的判据：若协议的通信复杂度在n上为线性，且延迟与n无关，则其适用于无许可环境。
• 将该框架应用于比较概率性安全（如PoW中所示）与确定性终局性（如Algorand中所示）之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同网络规模和安全参数下，不同区块链协议在通信复杂度和延迟方面如何比较？
• RQ2 公开随机性在降低区块链协议通信成本方面起到什么作用？
• RQ3 为何无许可区块链协议在具备安全保证的同时仍表现出高通信效率？
• RQ4 能否定义一种稳健且形式化的判据，以区分适用于无许可环境的协议与不适用的协议？
• RQ5 终局性机制（如Algorand中的机制）如何影响延迟与通信复杂度之间的权衡？

主要发现

• 无许可区块链协议实现了最优的通信复杂度，其比特成本渐近逼近n名参与者的理论下界bn。
• 无许可协议中的延迟随安全参数κ增长，尤其在基于PoW的系统（如比特币和Ouroboros）中，这是由于需要多次区块挖掘轮次所致。
• Algorand实现了与κ无关的恒定延迟，因其使用终局性机制消除了分叉，并支持参与者并行随机采样。
• Algorand的通信成本高于某些其他协议，但其仍保持可扩展性，复杂度随n线性增长。
• 使用公开且无偏的随机性可实现概率性安全，同时保持低通信开销，使协议能够以高概率限制恶意参与。
• 若协议的通信复杂度为O(n)，且延迟与n无关，则其适用于无许可环境，这提供了一个正式的判据以对协议进行分类。