[论文解读] Proof of Work Without All the Work

Diksha Gupta, Jared Saia+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新型的工作量证明（PoW）协议，该协议通过根据攻击者活动动态调整工作负载，在正常运行期间以最低的计算成本维持网络安全性。该协议确保安全性的计算成本与攻击者的努力成线性关系，从而在良性条件下实现低开销，同时在遭受攻击时仍保持强大的安全保证。

ABSTRACT

Proof-of-work (PoW) is an algorithmic tool used to secure networks by imposing a computational cost on participating devices. Unfortunately, traditional PoW schemes require that correct devices perform computational work perpetually, even when the system is not under attack. We address this issue by designing a general PoW protocol that ensures two properties. First, the network stays secure. In particular, the fraction of identities in the system that are controlled by an attacker is always less than 1/2. Second, our protocol’s computational cost is commensurate with the cost of an attacker. In particular, the total computational cost of correct devices is a linear function of the attacker's computational cost plus the number of correct devices that have joined the system. Consequently, if the network is attacked, we ensure security, with a cost that grows linearly with the attacker’s cost; and, in the absence of an attack, our computational cost remains small. We prove similar guarantees for bandwidth cost. Our result is motivated by blockchain and cryptocurrency systems such as Bitcoin. Thus, our results hold in a dynamic, decentralized system where participants join and depart over time, and where the total computational power of the attacker is up to a constant fraction of the total computational power of correct devices. We demonstrate how to leverage our results to address important security problems in distributed computing including: Sybil attacks, Byzantine consensus, and Committee election.

研究动机与目标

• 解决传统PoW方案在无攻击时仍需持续进行计算工作所导致的低效问题。
• 设计一种PoW协议，确保在无攻击时对诚实参与方的计算成本最小化。
• 实现诚实设备的计算成本与攻击者的计算能力成线性关系，而非与诚实设备数量成线性关系。
• 将相同的效率保证扩展到带宽成本，确保在动态去中心化系统中的资源效率。
• 实现对Sybil攻击防护、拜占庭共识和委员会选举等安全机制在去中心化网络中的实际部署。

提出的方法

• 设计一种动态PoW协议，仅在检测到攻击者活动时才激活计算工作，基于攻击者的行为。
• 引入一种机制，将攻击者控制的身份比例限制在1/2以下，以确保长期安全性。
• 采用一种成本模型，其中诚实设备的总计算成本与攻击者的成本加上已加入的诚实设备数量成正比。
• 在攻击者总计算能力最多为诚实设备总计算能力常数倍的威胁模型下，形式化安全保证。
• 利用协议的高效性，支持计算开销低的可信委员会选举和拜占庭共识协议。
• 证明计算成本和带宽成本均与攻击者的努力成线性关系，而非与系统规模或诚实参与度成线性关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种PoW协议，使得诚实节点在无攻击时执行最小的工作量？
• RQ2 如何在最小化诚实节点开销的同时，维持强大的安全保证（例如，攻击者控制少于1/2）？
• RQ3 诚实设备为确保安全必须支付的最小计算成本，相对于攻击者努力的最小值是多少？
• RQ4 这些效率原则是否可应用于带宽成本，以确保资源使用的成比例性？
• RQ5 该协议能否有效用于保护去中心化系统（如区块链），特别是用于Sybil抵抗和共识机制？

主要发现

• 所提出的PoW协议确保攻击者控制的身份比例严格小于1/2，维持了强大的安全性。
• 诚实设备的总计算成本被限制在攻击者计算成本加上已加入的诚实设备数量的线性函数内。
• 在无攻击的情况下，诚实设备的计算成本保持较低水平，且不随系统规模扩大而增长。
• 该协议在带宽成本方面也实现了类似的线性扩展，确保了资源使用的成比例性。
• 该协议支持在动态去中心化系统中高效部署Sybil防护、拜占庭共识和委员会选举等安全机制。
• 在攻击者计算能力最多为诚实设备总计算能力常数倍的现实威胁模型下，安全保证依然成立。