[论文解读] Deconstructing the Blockchain to Approach Physical Limits

Vivek Bagaria, Sreeram Kannan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 25被引用 37

一句话总结

Prism 是一种新颖的权益证明工作量区块链协议，它将中本聪的区块链解构为核心功能，并将其扩展至接近物理极限。它在达到网络容量 C 时实现最优吞吐量，确认延迟与传播延迟 D 成正比，且确认错误概率在带宽-延迟乘积 CD 上呈指数级减小，同时保持 50% 恶意算力攻击下的安全性。

ABSTRACT

Transaction throughput, confirmation latency and confirmation reliability are fundamental performance measures of any blockchain system in addition to its security. In a decentralized setting, these measures are limited by two underlying physical network attributes: communication capacity and speed-of-light propagation delay. Existing systems operate far away from these physical limits. In this work we introduce Prism, a new proof-of-work blockchain protocol, which can achieve 1) security against up to 50% adversarial hashing power; 2) optimal throughput up to the capacity C of the network; 3) confirmation latency for honest transactions proportional to the propagation delay D, with confirmation error probability exponentially small in CD ; 4) eventual total ordering of all transactions. Our approach to the design of this protocol is based on deconstructing the blockchain into its basic functionalities and systematically scaling up these functionalities to approach their physical limits.

研究动机与目标

• 解决由于通信容量 C 和传播延迟 D 等物理网络限制导致的区块链协议基本性能限制。
• 克服比特币类系统中固有的确认延迟与错误概率之间的权衡。
• 设计一种协议，在保持强安全保证的同时实现最优吞吐量和最小确认延迟。
• 系统性地扩展基本区块链功能（如区块传播和共识）以逼近其物理极限。
• 在最多 50% 算力被敌手控制的对抗条件下，确保交易的最终全序性。

提出的方法

• 将中本聪的区块链解构为原子功能：区块创建、传播和共识。
• 设计一种新协议，使区块以最大化网络利用率并最小化延迟的方式传播。
• 采用基于带宽-延迟乘积的确认规则，确保在 CD 上确认错误概率呈指数级减小。
• 实现一种动态确认机制，其依赖于飞行中的确认投票数量，与 CD 成比例。
• 引入一种新型区块结构和传播策略，将确认延迟最小化至 D，即光速延迟。
• 应用对敌手行为的概率分析，特别是针对平衡攻击和审查攻击，以验证安全性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链吞吐量和确认延迟的根本物理极限是什么？
• RQ2 区块链协议是否能在达到网络容量 C 的同时保持低确认延迟？
• RQ3 如何使确认错误概率在带宽-延迟乘积 CD 上呈指数级减小？
• RQ4 协议是否能在逼近物理极限的同时保持 50% 恶意算力攻击下的安全性？
• RQ5 在主动对抗性攻击（如平衡攻击和审查攻击）下，协议表现如何？

主要发现

• Prism 在网络容量 C 以内实现了最优交易吞吐量，接近理论上限。
• 确认延迟与传播延迟 D 成正比，达到了延迟的物理下限。
• 确认错误概率在带宽-延迟乘积 CD 上呈指数级减小，从而在低延迟下实现强可靠性。
• 在最多 50% 算力的主动对抗攻击下，Prism 保持低延迟和高可靠性，优于比特币的最长链协议。
• 对于给定的确认可靠性 ε，Prism 的延迟在 ε 减小时几乎保持不变，而比特币的延迟则显著增长。
• 仿真结果表明，Prism 的双花交易确认延迟始终低于比特币，尤其是在高可靠性要求下（例如 ε = e⁻²⁰）。