[论文解读] Resource Pools and the CAP Theorem

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 16被引用 13

一句话总结

本文通过将用户选择抽象为一个‘资源池’，提出了一套统一的框架，用于分析无权限区块链协议，该资源池能够同时捕捉工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）机制。论文证明了CAP定理的一个类比，表明在部分同步环境下，若事先未知资源池规模，则区块链协议无法同时实现最终性和自适应性。

ABSTRACT

Blockchain protocols differ in fundamental ways, including the mechanics of selecting users to produce blocks (e.g., proof-of-work vs. proof-of-stake) and the method to establish consensus (e.g., longest chain rules vs. BFT-inspired protocols). These fundamental differences have hindered "apples-to-apples" comparisons between different categories of blockchain protocols and, in turn, the development of theory to formally discuss their relative merits. This paper presents a parsimonious abstraction sufficient for capturing and comparing properties of many well-known permissionless blockchain protocols, simultaneously capturing essential properties of both proof-of-work and proof-of-stake protocols, and of both longest-chain-type and BFT-type protocols. Our framework blackboxes the precise mechanics of the user selection process, allowing us to isolate the properties of the selection process which are significant for protocol design. We illustrate our framework's utility with two results. First, we prove an analog of the CAP theorem from distributed computing for our framework in a partially synchronous setting. This theorem shows that a fundamental dichotomy holds between protocols (such as Bitcoin) that are adaptive, in the sense that they can function given unpredictable levels of participation, and protocols (such as Algorand) that have certain finality properties. Second, we formalize the idea that proof-of-work (PoW) protocols and non-PoW protocols can be distinguished by the forms of permission that users are given to carry out updates to the state.

研究动机与目标

• 开发一个统一的数学框架，用于分析不同无权限区块链协议，无论其底层共识机制（如PoW与PoS）或结构（最长链与BFT）如何。
• 通过将用户选择机制的内部细节抽象为‘资源池’接口，隔离并形式化其对协议属性的影响。
• 阐明区块链协议中最终性与自适应性之间的根本权衡，特别是在部分同步网络中的表现。
• 通过将用户选择与状态更新逻辑解耦，实现模块化协议设计与分析。
• 为未来的游戏理论扩展以及不同协议类别中确认证明的形式化奠定基础。

提出的方法

• 引入‘资源池’模型，其中每个用户持有一定余额（如算力或质押代币），以决定其更新区块链状态的权限。
• 区分‘已知大小’（已知池规模，如PoS）与‘未知大小’（未知池规模，如PoW）两种设置，以分析在不确定性下的协议行为。
• 采用部分同步网络模型研究活性与一致性，建模消息延迟与最终同步。
• 使用自适应性（无需预先知晓池规模即可保持活性）与最终性（区块确认不可逆）的形式化定义，分析协议间的权衡。
• 采用分布式系统中的不可能性证明技术，表明在未知大小设置下，最终性与自适应性无法共存。
• 对比确认机制：BFT协议通过签名对象提供确认证明，而自适应协议则需完整检查状态以验证确认。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一个统一框架，用于比较根本上不同的区块链协议，如比特币（PoW，最长链）与阿尔戈兰德（PoS，BFT）？
• RQ2 用户选择过程的哪些本质属性决定了协议行为，而与实现细节无关？
• RQ3 在部分同步网络假设下，无权限区块链中是否存在最终性与自适应性之间的根本权衡？
• RQ4 基于最终性的协议（如阿尔戈兰德）与自适应协议（如比特币）之间的确认机制有何不同，对信任与验证意味着什么？
• RQ5 该框架能否通过将用户选择与共识逻辑解耦，支持模块化协议设计？

主要发现

• 本文证明了区块链协议的CAP定理类比：在部分同步网络中，若资源池规模未知，则协议无法同时保证最终性与自适应性。
• 实现最终性的协议（如阿尔戈兰德）需要知晓资源池规模，因此不具备自适应性；而自适应协议（如比特币）则无法提供最终性。
• ‘已知大小’与‘未知大小’设置之间的区别至关重要：在未知大小设置下，若保持相同的强一致性与活性保证，最终性无法实现。
• BFT风格协议中的最终性通过一组签名对象（如委员会签名）建立，这些对象本身即构成完整的确认证明。
• 在比特币等自适应协议中，确认并非显而易见；用户必须检查整个消息状态，才能判断某区块是否仍被视为已确认。
• 该框架支持跨协议族的正式比较，并通过将用户选择机制抽象为‘许可者’接口，支持模块化协议设计。