[论文解读] Implicit Consensus: Blockchain with Unbounded Throughput

Zhijie Ren, Kelong Cong+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 2被引用 13

一句话总结

本文提出隐式共识（Implicit Consensus），一种新型区块链共识模型，通过将交易验证与全局共识解耦，实现无限吞吐量。系统不强制所有节点对每笔交易达成一致，而是依赖自利行为与自发分片：节点仅验证自身交易，并向其他节点传播证明，从而在不保证全局终止的前提下，实现等同于拜占庭容错（BFT）的可靠性。

ABSTRACT

Recently, the blockchain technique was put in the spotlight as it introduced a systematic approach for multiple parties to reach consensus without needing trust. However, the application of this technique in practice is severely restricted due to its limitations in throughput. In this paper, we propose a novel consensus model, namely the implicit consensus, with a distinctive blockchain-based distributed ledger in which each node holds its individual blockchain. In our system, the consensus is not on the transactions, but on a special type of blocks called Check Points that are used to validate individual transactions. Our system exploits the ideas of self-interest and spontaneous sharding and achieves unbounded throughput with the transaction reliability that equivalent to traditional Byzantine fault tolerance schemes.

研究动机与目标

• 解决传统区块链共识算法的可扩展性限制，后者存在O(N²)的消息复杂度与吞吐量瓶颈。
• 通过将共识目标从对交易的全局一致，重新定义为对检查点（Check Points）的一致，突破现有BFT与工作量证明方案的吞吐量上限。
• 通过利用自利性驱动交易验证与证明传播，实现在理性、去中心化网络中实现无限交易吞吐量。
• 尽管放松了终止属性，仍保持与传统拜占庭容错方案相当的交易可靠性。
• 设计一种系统，使节点能基于交易来源选择自然形成动态、优化的分片，无需集中式或复杂的分片协调机制。

提出的方法

• 引入检查点（Check Points）——特殊区块，作为交易有效性和一致性的密码学证明，取代对单个交易的全局共识。
• 将共识与交易级一致性解耦：节点无需存储或验证所有交易，仅需关注自身或其交易来源相关的交易。
• 利用自利性作为激励机制：节点有动力传播有效交易的证明，以确保自身交易被接受。
• 实现去中心化、防审查的验证方案：任何拥有有效证明的节点均可独立验证并将其传播给其他节点。
• 使用基于BFT的共识算法达成对检查点的一致，确保诚实节点的正确性与一致性，同时通过选择性验证实现无限吞吐量。
• 支持自发分片：理性节点通过选择证明开销最小的交易来源，最小化数据传输，从而自然形成、自我优化的网络分区。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统能否在不依赖每笔交易全局共识的前提下实现无限吞吐量？
• RQ2 能否在不强制所有交易全局终止的前提下，维持BFT级别的交易验证可靠性？
• RQ3 自利性与去中心化激励能否替代正式共识机制，以驱动证明传播与验证？
• RQ4 在理性、激励驱动的区块链系统中，自发分片如何自然形成？
• RQ5 当放松拜占庭容错中的终止属性时，吞吐量、延迟与可靠性之间的权衡关系如何？

主要发现

• 系统实现无限吞吐量，因为交易验证无需全局进行——仅传播与相关来源相关的证明，且节点仅存储必要内容。
• 交易可靠性等同于传统BFT方案：诚实节点间保持正确性与一致性，有效交易的可靠性与标准BFT系统相当。
• 放松终止属性并未损害系统完整性，因为恶意节点无法通过自利激励阻止有效交易被证明。
• 自发分片自然形成：理性节点选择证明传输开销最小的交易来源，导致高效、自我优化的网络分区。
• 系统通过声誉或黑名单机制抵御垃圾信息与拒绝服务攻击，且无效交易不会传播，因为诚实节点不会将其用作来源。
• 延迟仍取决于对检查点的BFT共识，但可通过使用更可扩展的BFT算法降低，使系统兼容未来性能提升。