[论文解读] Practical Low Latency Proof of Work Consensus

Yang Lei, Xuechao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

Prism++ 引入了一种新颖的权益证明工作量共识协议，实现了低于数十秒的低延迟交易确认，同时保持了比特币级别的安全性和每秒超过 80,000 笔交易的可扩展性。它利用并行链，并结合一种协同设计的确认规则，明确建模最坏情况下的敌对行为，从而在不牺牲吞吐量或安全性的情况下，实现可证明的低确认延迟。

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully-decentralized permissionless blockchain protocol to achieve a high level of security, but at the expense of poor throughput and latency. Scaling the performance of Bitcoin has a been a major recent direction of research. One successful direction of work has involved replacing proof of work (PoW) by proof of stake (PoS). Proposals to scale the performance in the PoW setting itself have focused mostly on parallelizing the mining process, scaling throughput; the few proposals to improve latency have either sacrificed throughput or the latency guarantees involve large constants rendering it practically useless. Our first contribution is to design a new PoW blockchain Prism++ that has provably low latency and high throughput; the design retains the parallel-chain approach espoused in Prism but invents a new confirmation rule to infer the permanency of a block by combining information across the parallel chains. We show security at the level of Bitcoin with very small confirmation latency (a small constant factor of block interarrival time). A key aspect to scaling the performance is to use a large number of parallel chains, which puts significant strain on the system. Our second contribution is the design and evaluation of a practical system to efficiently manage the memory, computation, and I/O imperatives of a large number of parallel chains. Our implementation of Prism++ achieves a throughput of over 80,000 transactions per second and confirmation latency of tens of seconds on networks of up to 900 EC2 Virtual Machines.

研究动机与目标

• 解决 PoW 区块链中低确认延迟与强安全性之间的根本性权衡问题。
• 克服先前并行链协议（如 Prism）的局限性，这些协议由于其确认规则中存在较大的常数，导致实际不可行的高延迟上限。
• 设计一种实用系统，高效管理数千条并行链中的内存、I/O 和计算资源。
• 评估协议在主动攻击（如垃圾信息泛滥、审查和平衡攻击）下的鲁棒性。
• 证明理论上的低延迟保证可以通过高效实现和优化在实践中得以实现。

提出的方法

• 提出一种新型确认规则，与对最坏情况敌对攻击的显式刻画协同设计，从而实现对回滚概率的紧密边界。
• 采用并行链架构，其中提议者区块通过多个独立的验证者链的投票进行确认，每个验证者链均应用最长链规则。
• 使用连续时间、无限时域模型，推导在敌对挖矿条件下的可证明确认错误概率。
• 在交易处理中引入随机时间抖动，通过延迟交易插入来缓解垃圾信息攻击。
• 通过数据库调优（RocksDB）、高效序列化以及 I/O 友好的交易处理来优化系统性能。
• 将协议配置为可容忍高达 20% 的敌对挖矿算力，同时保持安全性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 PoW 共识协议是否能够实现具有可证明安全性保证的低确认延迟，其水平可与比特币相媲美？
• RQ2 基于最坏情况敌对建模的确认规则是否能在不牺牲吞吐量的前提下，实现实用的低延迟确认？
• RQ3 是否能够高效地在数千条并行链上实现大规模、高吞吐量的 PoW 系统，同时保持可管理的 I/O 和内存开销？
• RQ4 在垃圾信息泛滥、审查和平衡攻击等主动敌对攻击下，协议表现如何？
• RQ5 系统级优化（如时间抖动和数据库调优）在多大程度上能提升实际性能？

主要发现

• Prism++ 在最多 900 台 EC2 虚拟机组成的网络中，实现了超过 80,000 笔交易每秒的吞吐量。
• 确认延迟降低至数十秒，比最长链协议在敌对条件下的延迟快六倍以上。
• 即使敌对挖矿算力高达 20%，系统仍保持比特币级别的安全性，该结论得到了理论分析和实验的验证。
• CPU 使用率分析显示，RocksDB I/O 操作占了 49.5% 的账本处理开销，凸显了数据库优化的重要性。
• 最多 5 秒的随机时间抖动可将垃圾信息交易的插入率降低约 80%，有效缓解了垃圾信息攻击。
• 在 20% 敌对客户端参与的平衡攻击下，确认延迟仍比最长链协议低六倍以上。