[论文解读] Betting on Blockchain Consensus with Fantomette

Sarah Azouvi, Patrick McCorry+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 47被引用 15

一句话总结

Fantômette 是一种权益证明区块链共识协议，整合了安全的领导者选举协议 Caucus，以及基于安全保证金和去中心化检查点机制的博弈论激励机制，以实现最终性。它在半同步模型下，针对最多三成参与者被攻破的情况，提供了对理性与拜占庭对手的正式安全证明，确保了收敛性、链质量和鲁棒性。

ABSTRACT

Blockchain-based consensus protocols present the opportunity to develop new protocols, due to their novel requirements of open participation and explicit incentivization of participants. To address the first requirement, it is necessary to consider the leader election inherent in consensus protocols, which can be difficult to scale to a large and untrusted set of participants. To address the second, it is important to consider ways to provide incentivization without relying on the resource-intensive proofs-of-work used in Bitcoin. In this paper, we propose a secure leader election protocol, Caucus; we next fit this protocol into a broader blockchain-based consensus protocol, Fantomette, that provides game-theoretic guarantees in addition to traditional blockchain security properties. Fantomette is the first proof-of-stake protocol to give formal game-theoretic proofs of security in the presence of non-rational players.

研究动机与目标

• 通过设计一种安全、可扩展的领导者选举协议，解决开放、无许可区块链中的可扩展性和激励挑战。
• 在权益证明区块链中实现正式的博弈论安全证明，同时考虑理性和拜占庭对手。
• 通过去中心化检查点和显式的惩罚机制（利用安全保证金）实现共识的最终性和可问责性。
• 克服工作量证明的局限性，如高能耗和缺乏确定性最终性，同时保持强安全保证。
• 证明在权益证明中，通过显式的经济惩罚机制和通过 blockDAG 暴露区块依赖关系，可以实现无需成本的区块创建的安全性。

提出的方法

• 设计 Caucus 协议，一种领导者选举协议，确保领导者仅在采取行动时才被揭示，防止抢先的 Sybil 攻击，并可扩展至大规模、不可信的参与者集合。
• 使用 blockDAG 结构暴露参与者的决策过程，支持对违规行为的检测，并通过安全保证金实现公平惩罚。
• 实施一种惩罚机制，违规参与者将损失其部分安全保证金，从而形成强烈的经济激励以遵守协议。
• 引入基于已识别参与者和保证金支持承诺的去中心化检查点系统，实现在无信任第三方情况下的最终性。
• 形式化一种安全模型，其中理性参与者最大化其期望效用，而拜占庭参与者则旨在破坏链质量和损害利他参与者。
• 使用参数 $k=3$，$c=1$，$π=6$，$×=10$ 和初始保证金为 0 的设置对 Fantômette 进行模拟，允许负收益，以评估收敛性、链质量和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为开放区块链设计一种可高效扩展且能防止 Sybil 攻击的领导者选举协议？
• RQ2 权益证明共识协议能否为理性与拜占庭对手提供正式的博弈论安全保证？
• RQ3 如何在无许可、去中心化的区块链中实现最终性，而无需依赖工作量证明？
• RQ4 在无需成本的区块创建环境中，何种经济机制能有效遏制违规行为？
• RQ5 当最多有三分之一的参与者为敌对时，协议在多大程度上能维持链质量和收敛性？

主要发现

• 在最多 49 名拜占庭参与者的情况下，模拟中观察到的最长分叉为 12 个区块，支持协议的收敛性属性。
• 链质量测量值为 $\alpha = 0.024$，意味着攻击者通过磨削攻击可比预期多贡献 2.4% 的区块，与理论边界一致。
• 由最多三分之一理性参与者组成的联盟，其收益相比不结盟时增加了 3.8（对比 3.5），表明 $\epsilon$-鲁棒性，其中 $\epsilon = 1.086$。
• 即使在最多 25% 的拜占庭参与者情况下，利他参与者收益仍保持稳定，但当联盟超过四分之一时收益开始下降，表明大规模拜占庭联盟造成的损害有限。
• 拜占庭联盟的收益受到的负面影响大于利他参与者，表明恶意行为会受到经济惩罚。
• 协议通过可识别参与者和安全保证金支持的去中心化检查点实现了最终性，这是权益证明系统中的一个新特性。