[论文解读] Green-PoW: An Energy-Efficient Blockchain Proof-of-Work Consensus Algorithm

Noureddine Lasla, Lina Alsahan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用 5

一句话总结

Green-PoW 是一种节能的区块链共识算法，通过在下一轮中授予排名第二的矿工独家挖矿权，将工作量证明（PoW）的能耗最多降低50%。它将时间划分为多个时期，每个时期包含两个阶段：第一轮中所有矿工竞争；第二轮中仅第一轮的前几名竞争者挖矿，从而大幅减少能耗，同时保持安全性。

ABSTRACT

This paper opts to mitigate the energy-inefficiency of the Blockchain Proof-of-Work (PoW) consensus algorithm by rationally repurposing the power spent during the mining process. The original PoW mining scheme is designed to consider one block at a time and assign a reward to the first place winner of a computation race. To reduce the mining-related energy consumption, we propose to compensate the computation effort of the runner(s)-up of a mining round, by granting them exclusivity of solving the upcoming block in the next round. This will considerably reduce the number of competing nodes in the next round and consequently, the consumed energy. Our proposed scheme divides time into epochs, where each comprises two mining rounds; in the first one, all network nodes can participate in the mining process, whereas in the second round only runners-up can take part. Thus, the overall mining energy consumption can be reduced to nearly $50\%$. To the best of our knowledge, our proposed scheme is the first to considerably improve the energy consumption of the original PoW algorithm. Our analysis demonstrates the effectiveness of our scheme in reducing energy consumption, the probability of fork occurrences, the level of mining centralization presented in the original PoW algorithm, and the effect of transaction censorship attack.

研究动机与目标

• 为解决传统工作量证明（PoW）区块链（如比特币）的高能耗问题，其能耗水平相当于小型国家的水平。
• 在不损害安全性或去中心化的情况下，减轻 PoW 对环境的影响。
• 减少分叉的发生以及矿池中心化的风险，这是 PoW 系统中的常见问题。
• 设计一种共识机制，合理再利用非获胜矿工的计算资源，最大限度减少能源浪费。

提出的方法

• 将时间划分为多个时期，每个时期包含两个挖矿阶段：一个标准 PoW 阶段，随后是一个节能阶段。
• 在第一阶段，所有矿工参与竞争；第一轮中表现优异的矿工（即排名第二的矿工）将被选中在下一阶段独家挖矿。
• 引入超时机制：如果在第二阶段设定的时间间隔内未生成区块，则非参与矿工将重新开始挖矿，以确保系统的活性。
• 在第二阶段采用动态难度调整（D2_i），以维持稳定的区块生成速率（例如，比特币中为10分钟）。
• 使用参数 η 控制排名第二矿工加入第二阶段的时间窗口，该参数基于网络哈希算力的分布情况设定。
• 采用概率模型设定超时时间间隔，确保以高概率生成区块（例如，在12至23分钟内生成区块的概率为70%至90%）。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 PoW 的共识算法是否可以通过再利用非获胜矿工的计算资源来降低能耗？
• RQ2 与标准 PoW 相比，该方案如何影响分叉发生的概率？
• RQ3 Green-PoW 在多大程度上减少了矿池中心化风险以及交易审查攻击的风险？
• RQ4 在不同哈希算力分布下，如何在能效与系统活性之间取得最优平衡？

主要发现

• 当矿工之间的算力分配均等时，Green-PoW 可将整体挖矿能耗降低最多50%。
• 当单一实体控制网络50%的算力时，节能潜力下降，因为第二轮的难度随之提高。
• 由于第二轮中仅少数矿工参与竞争，因此分叉现象显著减少，有效降低了竞争链扩展的可能性。
• 超时机制确保了系统活性，12至23分钟的时间间隔足以在第二轮内以70%至90%的概率生成区块。
• 在非均匀算力分布下（例如，5%的矿工持有50%的算力），参数 η 显著增加，反映出低算力节点需要更长的等待时间才能参与第二轮。
• 安全特性（如抗双重支付攻击和审查攻击）得以保持，且由于大型矿池被排除在第二轮竞争之外，矿池中心化现象也得到缓解。