[论文解读] Proofware: Proof of Useful Work Blockchain Consensus Protocol for Decentralized Applications

Zhongli Dong, Young Choon Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用 13

一句话总结

Proofware 提出了一种基于区块链的共识协议——有用工作证明（PoUW），使去中心化应用（dApps）能够利用公众的闲置计算资源，同时执行对社会有益的任务。通过嵌入去中心化、自我调节的信用系统和智能合约，Proofware 相较于 AWS EC2 实现了 94.6% 的成本降低，具备完全的财务可持续性，通过自主价格发现机制实现抗审查和可预测的交易成本。

ABSTRACT

In a blockchain system, consensus protocol as an incentive and security mechanism, is to ensure the participants to build the block honestly and effectively. There are different consensus protocols for blockchain, like Proof of work (PoW), Proof of Stake (PoS), Proof of Space (PoSpace), Proof of Activities etc. But most of these consensus protocols are not designed for doing some useful jobs for society because of too much competition and scalability limitation. Massive electric power and computing resources, including CPU, RAM, storage and sensors have been wasted to run blockchain network based on these consensus protocols. Current frameworks and middleware for building decentralised applications (dApps) are largely limited to simple and less useful jobs. In this paper, we present Proofware which is designed for developers to build their dApps easily with existing public/crowd-based computing resources. Under Proofware, developers can develop and test their own Proof of Useful Work (PoUW) consensus protocols. Also, rather than depending on a centralised accounting system, each dApp has an embedded currency system to keep the whole incentive system decentralised, fair, transparent, stable and sustainable. Based on Proofware, we have built a crowd based video sharing application, called OurTube, as a case study. By the OurTube example, it has shown Proofware significantly improves the productivity to build crowd-based computing system with the features of cost-effectiveness, anti-censorship, elasticity and financial sustainability.

研究动机与目标

• 为解决传统区块链共识协议（如 PoW 和 PoS）效率低下且资源成本高昂的问题，这些协议将能量浪费在无用的计算上。
• 使去中心化应用（dApps）能够利用公众中未充分利用的计算资源（CPU、存储、传感器）来执行对社会有益的任务。
• 设计一种去中心化、透明且稳定的激励机制，以替代集中式会计，并支持多应用互操作性。
• 确保在众包计算系统中具备财务可持续性、可扩展性以及对市场操纵的抵抗力。
• 通过一个真实世界的 dApp——OurTube（一个去中心化的视频分享平台）证明该框架的可行性和效率。

提出的方法

• 提出一种新颖的共识机制——有用工作证明（PoUW），其通过有用计算任务而非密码学难题来验证区块。
• 在每个 dApp 中嵌入去中心化的特定应用信用系统，实现基于区块链的自主激励，以奖励资源贡献者。
• 采用基于信用适配器权重模型的动态、去中心化信用价格发现机制，根据供需关系稳定并预测信用价值。
• 利用智能合约定义服务质量（QoS），并以无需信任、可审计的方式强制执行资源提供者与 dApp 用户之间的协议。
• 采用模块化交易结构和气体上限机制，确保去中心化信用交易所中交易费用的可预测性和低成本。
• 通过 500 个交易机器人进行多轮模拟，验证在不同市场条件下信用价格发现算法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种区块链共识协议，使其执行有用计算而非无意义的哈希运算，从而提升能源和资源效率？
• RQ2 如何实现一种去中心化、自我调节的信用系统，以确保在多个 dApps 中实现公平、透明和可持续的激励？
• RQ3 自主信用价格发现能在多大程度上防止市场操纵并确保众包计算系统中的价格稳定？
• RQ4 基于 Proofware 构建的 dApp 与传统云部署相比，其成本和性能如何？
• RQ5 去中心化信用交易所模型能否在大规模下维持可预测且低成本的交易费用？

主要发现

• 基于 Proofware 构建的去中心化视频分享 dApp OurTube，其运行成本仅为在 Amazon EC2 上运行类似应用的 5.4%，展现出显著的成本效率。
• 去中心化信用交易所系统实现了可预测的交易成本，实际气体使用量始终低于设定上限，确保了财务可预测性。
• 信用价格发现算法在不同供需条件下成功维持了稳定且可预测的信用价格，价格弹性与经济理论一致。
• 模拟结果显示，当信用适配器权重设为 0.5 时，OurTube 信用价格随供需呈线性变化，证实了模型对市场力量的响应能力。
• 当信用适配器权重提高至 0.8 时，系统对供应变化的敏感度降低，符合预期，证明了价格稳定性的可控性。
• 交易模块化分析揭示了基于 dApp 信用类型的独立社区，证实了系统支持多应用、去中心化信用生态体系的能力。