[论文解读] Permissionless Consensus

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

本文提出一个形式化框架，用于分析无许可环境下的区块链共识协议，区分了三种无许可程度：完全无许可、动态可用和准无许可。证明了基本不可能性结果——例如，在完全无许可环境下，即使存在严重的拜占庭约束，确定性拜占庭协议仍可能出现无限非终止情况，揭示了去中心化共识设计中的固有局限。

ABSTRACT

Blockchain protocols typically aspire to run in the permissionless setting, in which nodes are owned and operated by a large number of diverse and unknown entities, with each node free to start or stop running the protocol at any time. This setting is more challenging than the traditional permissioned setting, in which the set of nodes that will be running the protocol is fixed and known at the time of protocol deployment. The goal of this paper is to provide a framework for reasoning about the rich design space of blockchain protocols and their capabilities and limitations in the permissionless setting. We propose a hierarchy of settings with different "degrees of permissionlessness", specified by the amount of knowledge that a protocol has about the current participants: These are the fully permissionless, dynamically available and quasi-permissionless settings. The paper also proves several results illustrating the utility of our analysis framework for reasoning about blockchain protocols in these settings. For example: (1) In the fully permissionless setting, even with synchronous communication and with severe restrictions on the total size of the Byzantine players, every deterministic protocol for Byzantine agreement has a non-terminating execution. (2) In the dynamically available and partially synchronous setting, no protocol can solve the Byzantine agreement problem with high probability, even if there are no Byzantine players at all. (3) In the quasi-permissionless and partially synchronous setting, by contrast, assuming a bound on the total size of the Byzantine players, there is a deterministic protocol solving state machine replication. (4) In the quasi-permissionless and synchronous setting, every proof-of-stake state machine replication protocol that uses only time-malleable cryptographic primitives is vulnerable to long-range attacks.

研究动机与目标

• 形式化并分析无许可环境中区块链共识协议的设计空间，其中参与者未知、动态且可能受Sybil攻击控制。
• 基于协议对当前参与者的知识，识别并区分三种不同的无许可程度：完全无许可、动态可用和准无许可。
• 在每种设定下建立共识的基础不可能性与可能性结果，特别是针对拜占庭协议和状态机复制。
• 证明即使在无拜占庭故障的情况下，某些响应性和一致性保证在特定无许可设定下仍不可实现。
• 阐明在准无许可设定下，面对长范围攻击威胁时，时间可变密码原原子在权益证明协议中的局限性。

提出的方法

• 基于协议对活跃参与者的知识，提出三种无许可设定的层级：完全无许可（无知识）、动态可用（知道标识符的超集）和准无许可（当前参与者恰好是已知标识符）。
• 通过协议实例之间的不可区分性论证，模拟敌对行为并证明在特定假设下的一致性违规。
• 运用博弈论和密码学推理来建模拜占庭行为，包括策略性不活跃和冲突的交易确认。
• 采用概率分析来界定失败概率，将一致性违规与相关协议实例中的活性和响应性失败联系起来。
• 构建敌对执行场景（例如，I1至I5）以表明在特定条件下，一致性违规以高概率不可避免。
• 依赖于相对于状态和交易集的“有效性”概念，并使用时间槽来追踪跨协议实例的确认进度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全无许可设定下，即使对拜占庭玩家施加严格限制，确定性拜占庭协议是否存在根本性局限？
• RQ2 在动态可用且部分同步的设定下，无拜占庭玩家时，是否存在共识协议能以高概率保证一致性和活性？
• RQ3 在准无许可且部分同步的设定下，是否存在一种确定性的权益证明协议用于状态机复制，且在拜占庭玩家规模受适当约束时？
• RQ4 在动态可用、经过认证且同步的设定下，是否存在乐观响应的状态机复制协议能保证一致性和活性，即使无拜占庭故障？
• RQ5 在准无许可且同步的设定下，所有仅依赖时间可变原原子的权益证明状态机复制协议是否都易受长范围攻击影响？

主要发现

• 在完全无许可设定下，即使对拜占庭玩家施加严格限制，所有确定性拜占庭协议均存在无限执行路径，其中诚实参与者永远不会终止。
• 在动态可用且部分同步的设定下，即使不存在拜占庭玩家，任何协议都无法以高概率解决拜占庭协议问题。
• 在准无许可且部分同步的设定下，当拜占庭玩家规模受适当约束时，存在一种确定性的权益证明协议用于状态机复制。
• 在动态可用、经过认证且同步的设定下，任何乐观响应的状态机复制协议都无法保证一致性和活性，即使无拜占庭玩家。
• 在准无许可且同步的设定下，所有仅使用时间可变密码原原子的权益证明协议均易受长范围攻击。
• 对于概率性协议，一致性违规的发生概率至少为 $1 - 4\bar{\rho}$，且由于 $\bar{\rho} < 1/5$，这导致矛盾，从而证明在某些敌对场景下，一致性无法以高概率保证。