[论文解读] GHAST: Breaking Confirmation Delay Barrier in Nakamoto Consensus via Adaptive Weighted Blocks

Chenxing Li, Fan Long+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用 7

一句话总结

GHAST 是一种新颖的区块链共识协议，采用基于树状结构的DAG（有向无环图）并结合自适应区块加权机制，显著降低了Nakamoto风格共识中的确认延迟。通过支持并行区块生成并利用加权区块选择策略，GHAST 在相同条件下实现 99% 置信度的确认时间仅为 O(d·log(1/ε))——比比特币的 6 个区块确认快 30 倍，同时在敌手计算能力低于 50% 的前提下仍保持安全性。

ABSTRACT

Initiated from Nakamoto's Bitcoin system, blockchain technology has demonstrated great capability of building secure consensus among decentralized parties at Internet-scale, i.e., without relying on any centralized trusted party. Nowadays, blockchain systems find applications in various fields. But the performance is increasingly becoming a bottleneck, especially when permissionless participation is retained for full decentralization. In this work, we present a new consensus protocol named GHAST (Greedy Heaviest Adaptive Sub-Tree) which organizes blocks in a Tree-Graph structure (i.e., a directed acyclic graph (DAG) with a tree embedded) that allows fast and concurrent block generation. GHAST protocol simultaneously achieves a logarithmically bounded liveness guarantee and low confirmation latency. More specifically, for maximum latency $d$ and adversarial computing power bounded away from 50\%, GHAST guarantees confirmation with confidence $\ge 1-\varepsilon$ after a time period of $O(d\cdot \log(1/\varepsilon))$. When there is no observable attack, GHAST only needs $3d$ time to achieve confirmation at the same confidence level as six-block-confirmation in Bitcoin, while it takes roughly $360d$ in Bitcoin.

研究动机与目标

• 为解决 Nakamoto 共识中高确认延迟的瓶颈问题，尽管其具备去中心化特性，但该问题限制了区块链的可扩展性。
• 在无需许可、去中心化的环境中，实现快速且并行的区块生成，同时不牺牲安全性或活性。
• 设计一种共识机制，即使在敌手具有有限计算能力的对抗环境下，也能维持强安全性保证。
• 打破传统最长链协议（如比特币的 Nakamoto 共识）固有的确认延迟障碍。
• 提供一种可证明安全、高吞吐量的共识协议，能够随网络延迟 d 高效扩展。

提出的方法

• GHAST 将区块组织为树状结构的 DAG（树图），其中每个区块引用多个父区块，从而支持并行区块创建并提升传播效率。
• 提出基于区块潜力和深度的自适应区块加权机制，优先选择更可能进入最终主链的区块。
• 协议采用贪心策略选择最重子树（GHAST）以确定主链，确保在敌手攻击下仍具备活性与安全性。
• 定义区块潜力函数 P(S, b)，用于衡量区块 b 被包含在最终链中的可能性，同时考虑诚实与恶意区块的影响。
• 通过鞅集中不等式与 Chernoff 型不等式进行严格的安全性分析，以限制恶意区块被包含的概率。
• 协议确保在参考时间点后 d 时间单位内生成的区块，经过 O(d·log(1/ε)) 时间后以高概率被确认，即使面对自适应敌手策略亦成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种区块链共识协议，在无需许可、去中心化的网络中，实现低确认延迟，同时不损害安全性或活性？
• RQ2 如何利用区块传播延迟 d 来缩短确认时间，同时保持对 50% 攻击的抵抗能力？
• RQ3 基于 DAG 的结构结合自适应区块加权机制，是否能在确认速度与吞吐量方面超越传统最长链协议？
• RQ4 在敌手计算能力受限制的前提下，安全且并行的共识协议的理论确认时间上限是什么？
• RQ5 能否将确认延迟从 O(1/ε) 降低至 O(log(1/ε))，同时保持安全性保证？

主要发现

• GHAST 在 O(d·log(1/ε)) 时间内保证确认概率 ≥1−ε，其中 d 为最大区块传播延迟。
• 在无攻击情况下，GHAST 以与比特币 6 个区块确认相同的置信度，在 3d 时间内完成确认，而比特币的确认时间约为 360d。
• 即使敌手计算能力被限制在远离 50% 的范围内，协议仍能通过对数级确认延迟确保活性。
• 区块潜力函数 P(S, b) 被证明受 η_w + SubTW(B_gen ∩ M, b) 限制，从而控制恶意区块的影响。
• 分析证明：在例外概率 ε 下，任何在参考时间点后 d 时间单位内生成的区块，其区块潜力不会超过 4λ·max{140/δ²·log(9000/(εδ²)), 8(η_b+4)/δ}。
• 在同等安全与网络条件下，GHAST 相较比特币实现了 30 倍的确认速度提升。