[论文解读] Flash: An Asynchronous Payment System with Good-Case Linear Communication Complexity

Andrew Lewis-Pye, Oded Naor+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

Flash 是一种新颖的异步支付系统，通过用一种称为 blocklace 的 DAG 类结构替代可靠广播（Reliable Broadcast），在拜占庭故障较少或不存在的情况下，实现了每笔支付的 O(n) 通信复杂度。它匹配了 O(n²) 的最坏情况复杂度下界，是首个在具有拜占庭容错能力的异步支付系统中实现线性好-case、二次方最坏-case性能的方案。

ABSTRACT

While the original purpose of blockchains was to realize a payment system, it has been shown that, in fact, such systems do not require consensus and can be implemented deterministically in asynchronous networks. State-of-the-art payment systems employ Reliable Broadcast to disseminate payments and prevent double spending, which entails O(n^2) communication complexity per payment even if Byzantine behavior is scarce or non-existent. Here we present Flash, the first payment system to achieve $O(n)$ communication complexity per payment in the good case and $O(n^2)$ complexity in the worst-case, matching the lower bound. This is made possible by sidestepping Reliable Broadcast and instead using the blocklace -- a DAG-like partially-ordered generalization of the blockchain -- for the tasks of recording transaction dependencies, block dissemination, and equivocation exclusion, which in turn prevents doublespending. Flash has two variants: for high congestion when multiple blocks that contain multiple payments are issued concurrently; and for low congestion when payments are infrequent.

研究动机与目标

• 解决现有支付系统即使在无拜占庭行为的情况下也产生 O(n²) 通信复杂度的问题。
• 设计一种支付系统，可在异步网络中维持安全性和一致性，而无需依赖共识或可靠广播。
• 实现最优通信复杂度：在好-case 情况下（拜占庭故障较少或无）为 O(n)，在最坏情况下为 O(n²)，匹配已知的下界。
• 提供两种运行变体：一种适用于低拥塞环境且支付频率较低，另一种适用于高拥塞场景且存在并发支付。
• 通过一种新型 blocklace 结构实现交易终局性，替代传统的全序化和可靠广播机制。

提出的方法

• 用一种称为 blocklace 的分布式 DAG 类结构替代可靠广播，以记录交易依赖关系和区块关系。
• 利用 blocklace 在无需全序化的情况下传播区块并检测冲突（即同一账户的冲突交易）。
• 实现一种终局机制：当一笔交易在后续区块中获得至少 (n + f)/2 个不同诚实节点的批准时，即被终局化。
• 引入紧急支付模式，允许节点将特定交易标记为紧急，一旦收到即由所有诚实节点立即批准。
• 设计两种协议变体：一种针对低拥塞环境（支付频率低）进行优化，另一种针对高拥塞环境（并发支付）进行优化，各自以不同方式利用 blocklace 结构。
• 通过依赖 blocklace 的偏序关系和批准阈值，在异步网络中确保安全性和一致性，即使在拜占庭行为下也能防止双花攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 支付系统是否能在好-case 情况下实现每笔支付的线性通信复杂度，同时仍匹配 O(n²) 的最坏情况复杂度下界？
• RQ2 是否可能在不牺牲异步网络中安全性和一致性的情况下，从支付系统中移除可靠广播？
• RQ3 如何利用部分有序的、类似 DAG 的结构，而非全序化，高效实现交易终局性和冲突检测？
• RQ4 在异步支付系统中，低拥塞与高拥塞部署模式之间的性能权衡是什么？
• RQ5 紧急交易机制是否能减少终局延迟，而不损害安全性或增加通信开销？

主要发现

• Flash 在好-case 情况下（拜占庭节点数量为常数或零）实现了每笔支付的 O(n) 通信复杂度，同时在最坏情况下保持 O(n²) 复杂度，匹配已知的复杂度下界。
• blocklace 结构成功替代了可靠广播用于冲突检测和区块传播，实现了无需共识的高效可扩展通信。
• 在低拥塞变体中，交易终局性通过 (n + f)/2 个不同诚实节点的累积批准实现，即使存在最多 f 个拜占庭节点也能确保安全性。
• 紧急支付模式允许在收到标记交易后立即获得批准，从而减少终局延迟，且消息复杂度不会超过 O(n)。
• 在高拥塞变体中，系统支持并发发出多笔支付和区块，在正常条件下仍保持每笔支付的线性通信复杂度。
• Flash 表明，支付系统比共识问题更弱，因为它不需要对交易进行全序化，从而在好-case 场景下实现更优性能。