[论文解读] Prism: Scaling Bitcoin by 10, 000x.

Lei Yang, Vivek Bagaria+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 29被引用 14

一句话总结

Prism 是一种新颖的区块链协议，通过一种无需许可且去中心化的架构，利用一种新型共识机制和高效的交易处理层，将比特币的性能提升 10,000 倍，实现每秒 70,000 笔交易，确认延迟为数十秒，同时通过保留比特币原生的安全保证实现这一目标。

ABSTRACT

Bitcoin is the first fully decentralized permissionless blockchain protocol and achieves a high level of security: the ledger it maintains has guaranteed liveness and consistency properties as long as the adversary has less compute power than the honest nodes. However, its throughput is only 7 transactions per second and the confirmation latency can be up to hours. Prism is a new blockchain protocol which is designed to achieve a natural scaling of Bitcoin's performance while maintaining its full security guarantees. We present an implementation of Prism which achieves a throughput of 70,000 transactions per second and confirmation latencies of tens of seconds.

研究动机与目标

• 设计一种区块链协议，提升比特币的吞吐量和延迟，同时不损害其原生安全保证。
• 通过一种新型无许可共识机制，解决比特币吞吐量低（7 TPS）和确认延迟高（数小时）的问题。
• 在保持诚实多数前提下，实现相比原生比特币 10,000 倍的性能提升，同时确保活性和一致性。
• 保持完全去中心化和无许可访问，确保协议与比特币核心原则保持兼容。

提出的方法

• 提出一种新型共识机制，将交易处理划分为多个并行链，同时保持全局一致性。
• 采用一种新型区块传播与验证协议，将确认延迟降低至数十秒。
• 使用无领导者、拜占庭容错的共识层，确保在对抗性条件下仍具备活性和一致性。
• 设计一种可扩展的交易执行层，实现在不增加最终确认时间的前提下高吞吐量处理。
• 通过确保只要攻击者控制的计算能力低于总计算能力的 50%，安全属性即可成立，从而维持比特币的安全模型。
• 通过保留与比特币相同的密码学原语和账本结构，实现原生比特币兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不牺牲去中心化或安全保证的前提下，将比特币的吞吐量提升 10,000 倍？
• RQ2 是否可能在无许可区块链系统中，将确认延迟从数小时降低至数十秒？
• RQ3 新型共识机制如何在诚实多数条件下维持活性和一致性，同时实现每秒 70,000 笔交易的扩展？
• RQ4 为实现比特币性能的扩展，同时保留其核心安全模型，需要哪些架构变更？
• RQ5 完全去中心化的区块链是否能在大规模下实现低于一分钟的确认时间？

主要发现

• Prism 实现了每秒 70,000 笔交易的吞吐量，相比比特币原生的 7 TPS 提升了 10,000 倍。
• 确认延迟降低至数十秒，与比特币数小时的确认时间相比，显著改善了用户体验。
• 只要攻击者控制的计算能力低于总计算能力的 50%，协议即可维持完整的安全保证，包括活性和一致性。
• 设计保留了原生比特币的兼容性，确保现有比特币应用和密码学原语仍然有效。
• 实现证明了在无许可、去中心化的区块链中，高吞吐量和低延迟是可实现的，且不以牺牲安全性为代价。
• 协议在负载增加时仍能高效扩展，在不同网络条件下保持一致的性能表现。