[论文解读] Deterministic Proof Of Work.

Zhuan Cheng, Gang Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Blockchain Technology Applications and Security被引用 1

一句话总结

本文提出确定性工作量证明（DPoW），一种混合共识协议，结合Map-reduce工作量证明与实用拜占庭容错（PBFT），实现即时交易确认、高可扩展性以及强一致性，同时不牺牲去中心化。该协议通过确定性挖矿和拜占庭容错，防止分叉并抵御双重支付攻击。

ABSTRACT

The Decentralized-Consistent-Scale (DCS) Triangle defines three dimensions that illustrate the tradeoffs of the blockchain consensus mechanism. In this paper, we propose a new hybrid consensus protocol, called Deterministic Proof of Work (DPoW), which can reach high levels of scalability and consistency without significant reduction to decentralization. Our protocol introduces a Map-reduce PoW mining algorithm to perform alongside Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) verification, which together allow for transactions to be confirmed immediately, largely improving scalability. In addition, the protocol is designed such that forking cannot occur, ensuring strong consistency and security against a multitude of attacks. The Map-reduce PoW mining process ensures that no single entity can control the network, guaranteeing decentralization. We analyzed the security of our protocol by evaluating the possibility of double spending attacks, and furthermore, conducted experiments which demonstrate our claims.

研究动机与目标

• 解决区块链系统中由DCS三角形定义的可扩展性-共识-去中心化权衡问题。
• 设计一种共识机制，实现在不损害网络去中心化的前提下，实现高可扩展性和强一致性。
• 消除分叉，并增强区块链网络对双重支付攻击的防御能力。
• 通过混合挖矿与验证架构，实现即时交易确认。

提出的方法

• 引入一种Map-reduce PoW挖矿算法，将挖矿工作分布到多个节点，以提升并行性和可扩展性。
• 将Map-reduce PoW与PBFT结合用于交易验证，确保最终一致性和一致性。
• 使用确定性挖矿防止分叉，维持单一且一致的区块链状态。
• 设计协议使得任何单一实体都无法控制网络，从而保持去中心化。
• 采用PBFT在挖矿后验证交易，确保对拜占庭故障的容错性与安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合共识协议能否在保持去中心化的同时实现高可扩展性和强一致性？
• RQ2 如何通过确定性挖矿和PBFT在区块链系统中消除分叉？
• RQ3 所提出的协议对双重支付攻击的抵抗能力如何？
• RQ4 Map-reduce PoW挖矿能否在不牺牲安全性的前提下实现更快的交易确认？

主要发现

• DPoW协议通过集成Map-reduce PoW与PBFT验证，实现了即时交易确认。
• 由于挖矿过程的确定性，分叉被有效防止，确保了强一致性。
• 协议通过将挖矿工作分布化，使得任何单一实体都无法主导网络，从而保持了去中心化。
• 安全分析证实，在所提出的协议设计下，对双重支付攻击具有抵抗能力。