[论文解读] Babylon: Reusing Bitcoin Mining to Enhance Proof-of-Stake Security

Ertem Nusret Tas, David Tse+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

Babylon 提出了一种新颖的区块链架构，通过重用比特币现有的工作量证明（Proof-of-Work）算力，为权益证明（Proof-of-Stake, PoS）区块链提供可罚没的安全性与活性保证——即可罚没的安全性与活性。通过使 PoS 链在与比特币兼容的合并挖矿链上对检查点、欺诈证明和审查投诉进行时间戳记录，Babylon 在不增加额外能耗的前提下，解决了权益证明区块链中长期存在的安全问题，如长程攻击、审查行为和启动难题。

ABSTRACT

Bitcoin is the most secure blockchain in the world, supported by the immense hash power of its Proof-of-Work miners, but consumes huge amount of energy. Proof-of-Stake chains are energy-efficient, have fast finality and accountability, but face several fundamental security issues: susceptibility to non-slashable long-range safety attacks, non-slashable transaction censorship and stalling attacks and difficulty to bootstrap new PoS chains from low token valuation. We propose Babylon, a blockchain platform which combines the best of both worlds by reusing the immense Bitcoin hash power to enhance the security of PoS chains. Babylon provides a data-available timestamping service, securing PoS chains by allowing them to timestamp data-available block checkpoints, fraud proofs and censored transactions on Babylon. Babylon miners merge mine with Bitcoin and thus the platform has zero additional energy cost. The security of a Babylon-enhanced PoS protocol is formalized by a cryptoeconomic security theorem which shows slashable safety and liveness guarantees.

研究动机与目标

• 解决权益证明（PoS）区块链中的关键安全局限，包括不可罚没的长程攻击、审查行为以及阻塞攻击。
• 通过将密码经济安全性与原生代币估值解耦，解决低价值 PoS 链的启动难题。
• 利用外部比特币背书的信任，为 PoS 协议提供最小信任化的密码经济安全模型。
• 通过在与比特币兼容的链上实现合并挖矿的时间戳服务，实现零成本、高能效的 PoS 链完整性验证。

提出的方法

• Babylon 引入了一条新的工作量证明（PoW）链，与比特币合并挖矿，重用其现有哈希算力，无需额外能耗。
• PoS 链将数据可用的检查点、欺诈证明和审查投诉提交至 Babylon 以进行时间戳记录与验证。
• 该系统使用密码经济安全定理形式化定义可罚没的安全性与活性，确保验证者在恶意行为时可被惩罚。
• 通过在 Babylon 上结构化地记录证据，检测审查与阻塞攻击：若验证者未能及时投票或提出区块，则触发惩罚。
• 协议采用检查点机制，设置 $2k_c$-区块延迟，以确保最终性并防止重放攻击。
• 通过使用 Babylon 链中深度为 $k_w/2$ 的前缀证据，模拟 Tendermint 风格的共识轮次，以检测并响应阻塞行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 权益证明区块链是否能在不依赖诚实权益多数或外部社会共识的前提下，实现可罚没的安全性？
• RQ2 是否可能为 PoS 构建一个密码经济安全模型，以确保对安全与活性违规行为的问责？
• RQ3 是否可以重用比特币现有的挖矿算力，在不增加额外能耗的前提下保护 PoS 链？
• RQ4 如何利用安全的外部时间戳层检测并惩罚 PoS 链上的审查与阻塞攻击？
• RQ5 在初始代币市值较低的情况下，为启动一个安全且高价值的 PoS 应用，所需的最小信任假设是什么？

主要发现

• Babylon 通过在合并挖矿中重用比特币的哈希算力，为 PoS 链实现可罚没的安全性与活性，且不产生额外能耗。
• 该协议形式化定义了一个密码经济安全定理，确保验证者因协议违规（包括长程攻击与审查）而受到惩罚。
• 审查投诉通过检查被审查交易是否有效且在主 PoS 链中缺失来验证，若属实则触发惩罚。
• 阻塞攻击通过监控 $k_c$-区块窗口内是否缺少提案与投票来检测，若观察到的有效投票少于 $2f+1$ 个，则触发惩罚。
• 系统通过要求检查点提交与最终确认之间存在 $2k_c$-区块延迟，防止重放攻击，确保证据不可否认地锚定。
• 该架构通过将安全性与原生代币估值解耦，支持 PoS 链的安全启动，使低初始市值下也能支持高价值应用。