[论文解读] Proposal for a fully decentralized blockchain and proof-of-work algorithm for solving NP-complete problems

Carlos Oliver, Alessandro Ricottone+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用 13

一句话总结

本文提出了一种完全去中心化的区块链，通过降低包含改进解的区块的挖矿难度，激励矿工解决NP完全问题（如图着色或旅行商问题）。该系统在保持安全、公开的账本的同时，无需中心化机构即可生成可验证的、真实的现实世界问题解，标志着首次实现将实际计算整合到区块链工作量证明中的完全去中心化方法。

ABSTRACT

We propose a proof-of-work algorithm that rewards blockchain miners for using computational resources to solve NP-complete puzzles. The resulting blockchain will publicly store and improve solutions to problems with real world applications while maintaining a secure and fully functional transaction ledger.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化区块链，将传统工作量证明的计算能力重新定向至解决具有现实应用价值的NP完全问题。
• 消除对中心化机构在问题委派或解的验证方面的依赖，确保完全去中心化和匿名性。
• 构建一种挖矿激励机制，使改进的解可降低挖矿难度，从而激励矿工专注于问题求解。
• 在保持区块链安全性的前提下，实现解决方案在公开、不可篡改账本中的存储与演化。
• 通过去中心化存储和动态选择机制，支持多种NP完全问题实例。

提出的方法

• 区块链采用修改后的工作量证明协议，矿工可提交包含特定NP完全问题$P$解的区块，且该解可在多项式时间内验证。
• 对于包含优于当前最优解的区块，挖矿难度将降低，从而激励矿工改进解而非仅寻找随机数。
• 区块新增一个字段，用于存储问题实例$P$及解的紧凑表示，标准挖矿可允许空值。
• 创世区块存储初始问题实例，后续区块通过指针引用或直接包含问题（若大小允许）。
• 对于多种问题，区块链采用去中心化存储模型，存储节点持有问题集$\Omega$，矿工通过指针获取谜题。
• 谜题选择由前一区块的哈希决定，实现动态、确定性的问题分配至新区块。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种完全去中心化的区块链，使NP完全问题的求解作为工作量证明形式，且无需中心协调？
• RQ2 如何设计挖矿激励机制，使问题求解优先于传统哈希运算，同时保持网络安全性？
• RQ3 何种机制可确保仅包含有效、非冗余且具有科学意义的NP完全问题实例？
• RQ4 如何在去中心化方式下高效存储、选择和更新多种NP完全问题实例？
• RQ5 该系统能否同时实现密码学安全性与实际问题求解的实用性？

主要发现

• 所提出的系统使矿工可通过解决NP完全问题获得奖励，且包含改进解的区块挖矿难度降低，从而将计算能力有效引导至有意义的问题求解。
• 区块链可存储并公开更新NP完全问题的解，确保可验证性和不可篡改性，且无需中心化监督。
• 提出一种机制，利用前一区块的哈希实现动态问题选择，实现去中心化且负载均衡的谜题分发。
• 该系统支持单个或多个问题实例，通过去中心化存储节点实现大规模问题集的可扩展存储。
• 可通过带费用的特殊交易添加新问题，防止垃圾信息泛滥，确保仅有效、非平凡的问题进入系统。
• 该方法是首个将实际问题求解整合进工作量证明的完全去中心化区块链，同时保持安全性与去中心化特性。