[论文解读] Enhancing Accountability and Trust in Distributed Ledgers

Maurice Herlihy, Mark Moir|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 14被引用 19

一句话总结

本文提出了设计原则与机制，通过最小化非确定性选择并支持事后检测操纵行为，以增强许可型分布式账本的问责性与公平性。它在基于Tendermint的系统中引入了确定性排序规则、可审计日志和问责触发机制，使公平性违规更易于检测并可通过现实世界的惩罚措施加以执行。

ABSTRACT

Permisionless decentralized ledgers ("blockchains") such as the one underlying the cryptocurrency Bitcoin allow anonymous participants to maintain the ledger, while avoiding control or "censorship" by any single entity. In contrast, permissioned decentralized ledgers exploit real-world trust and accountability, allowing only explicitly authorized parties to maintain the ledger. Permissioned ledgers support more flexible governance and a wider choice of consensus mechanisms. Both kinds of decentralized ledgers may be susceptible to manipulation by participants who favor some transactions over others. The real-world accountability underlying permissioned ledgers provides an opportunity to impose fairness constraints that can be enforced by penalizing violators after-the- fact. To date, however, this opportunity has not been fully exploited, unnecessarily leaving participants latitude to manipulate outcomes undetectably. This paper draws attention to this issue, and proposes design principles to make such manipulation more difficult, as well as specific mechanisms to make it easier to detect when violations occur.

研究动机与目标

• 解决分布式账本中缺乏可执行的公平性保障，特别是在现实问责机制可行的许可型系统中。
• 减少参与者在未被检测到的情况下操纵交易排序或包含的机会。
• 设计轻量级、非侵入式的机制，使审计员能够检测出长期统计异常，从而识别系统性违规行为。
• 在不损害诚实参与者性能的前提下，将问责机制集成到账本设计中。
• 通过修改开源Tendermint账本系统，证明其适用性。

提出的方法

• 尽可能将非确定性选择替换为确定性规则，以减少操纵向量。
• 以密码学认证、可审计的方式记录所有不可避免的非确定性选择，以支持事后分析。
• 使用密码学签名和哈希链确保日志无法被篡改，从而在审计过程中保持完整性。
• 将问责机制与关键路径解耦，避免对正常操作造成性能影响。
• 引入如OWAC（有序预写提交）等机制，确保验证者之间对交易顺序的一致性。
• 通过日志的统计分析检测违规行为，即使单个事件与正常非确定性行为难以区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 当实时强制执行不可行时，如何在事后检测许可型账本中的公平性违规？
• RQ2 哪些设计原则能将可能被用于操纵的非确定性选择数量最小化？
• RQ3 如何以不降低诚实参与者性能的方式强制执行问责？
• RQ4 哪些机制可使审计员在无需实时干预的情况下检测系统性操纵模式？
• RQ5 现有账本系统（如Tendermint）可通过何种方式扩展以支持可验证的公平性与问责性？

主要发现

• 所提出的设计原则显著减少了非确定性选择的数量，从而缩小了操纵的攻击面。
• 可审计的、经密码学认证的日志使能够检测出表明重复公平性违规的可疑长期趋势。
• OWAC协议及相关机制确保即使验证者操纵对等通信顺序，也无法控制区块内交易的排序。
• 问责机制被置于关键路径之外，既保持了正常操作的性能，又支持事后检测。
• 该方法可通过提供可验证的不当行为证据，实现现实世界中的惩罚措施（如罚款或驱逐）。
• 该框架具有通用性，并已成功适配Tendermint账本系统，证明了其实际可行性。