[论文解读] Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol

Ittay Eyal, Adem Efe Gencer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Blockchain Technology Applications and Security被引用 111

一句话总结

Bitcoin-NG 提出了一种可扩展的区块链协议，通过将领导者选举与交易序列化解耦，使吞吐量仅受节点处理能力限制，延迟仅受网络传播延迟限制。通过允许单个领导者在每个周期内生成多个区块，该协议在保持比特币信任模型和安全属性的同时实现了最优可扩展性，该结论已通过包含1,000个节点的大规模仿真得到验证。

ABSTRACT

Cryptocurrencies, based on and led by Bitcoin, have shown promise as infrastructure for pseudonymous online payments, cheap remittance, trustless digital asset exchange, and smart contracts. However, Bitcoin-derived blockchain protocols have inherent scalability limits that trade-off between throughput and latency and withhold the realization of this potential. This paper presents Bitcoin-NG, a new blockchain protocol designed to scale. Based on Bitcoin's blockchain protocol, Bitcoin-NG is Byzantine fault tolerant, is robust to extreme churn, and shares the same trust model obviating qualitative changes to the ecosystem. In addition to Bitcoin-NG, we introduce several novel metrics of interest in quantifying the security and efficiency of Bitcoin-like blockchain protocols. We implement Bitcoin-NG and perform large-scale experiments at 15% the size of the operational Bitcoin system, using unchanged clients of both protocols. These experiments demonstrate that Bitcoin-NG scales optimally, with bandwidth limited only by the capacity of the individual nodes and latency limited only by the propagation time of the network.

研究动机与目标

• 解决比特币区块链协议中固有的可扩展性限制，该限制因固定区块间隔和区块大小而造成吞吐量与延迟之间的权衡。
• 设计一种协议，在保持比特币信任模型的同时，实现在现实网络和节点约束下的近最优性能。
• 提出用于评估 Nakamoto 共识协议安全性与效率的量化指标。
• 通过大规模仿真测试平台，使用真实客户端和现实网络条件，对 Bitcoin-NG 的可扩展性和鲁棒性进行实证验证。

提出的方法

• Bitcoin-NG 将时间划分为多个周期，每个周期通过随机且不频繁的过程选举单一领导者。
• 在每个周期内，领导者独立序列化交易并生成多个区块，从而将吞吐量与区块间隔解耦。
• 领导者选举具有前瞻性，确保交易处理持续进行，避免比特币在区块间隔期间出现全系统冻结。
• 该协议保持拜占庭容错能力，并使用与比特币相同的密码原语和信任假设。
• 引入新型指标（如协议有效吞吐量、延迟以及算力分配的公平性），以量化评估共识协议性能。
• 通过使用1,000个节点进行大规模实验，模拟真实互联网延迟，并保持比特币和 Bitcoin-NG 客户端不变，以确保协议保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链协议能否在不损害去中心化或安全性的情况下实现最优吞吐量和低延迟？
• RQ2 将领导者选举与交易序列化解耦，对系统性能和算力分配公平性有何影响？
• RQ3 传统可扩展性改进措施（如增大区块大小或缩短区块间隔）在多大程度上会引入中心化风险并降低挖矿效率？
• RQ4 协议能否在保持比特币信任模型的同时，在网络和节点约束下实现接近理想性能？
• RQ5 如何通过超越原始交易吞吐量的量化指标，客观评估共识协议？

主要发现

• Bitcoin-NG 实现了最优可扩展性，吞吐量仅受单个节点处理能力限制，延迟仅受网络传播延迟限制。
• 在比特币中减小区块间隔或增大区块大小会降低公平性并加剧算力中心化，从而损害去中心化。
• Bitcoin-NG 通过将交易序列化与区块创建解耦，避免了这些公平性和效率问题，维持了高算力利用率。
• 在1,000个节点的大规模仿真中（约为当前比特币网络规模的15%），在相同网络条件下，Bitcoin-NG 在延迟和吞吐量方面均优于比特币。
• 该协议保持了拜占庭容错能力和对极端节点频繁更替的鲁棒性，同时保留了与比特币相同的信任模型。
• 所引入的指标为共识协议的比较提供了量化基础，使参数调优的讨论建立在实证数据而非推测之上。