[论文解读] Rollerchain, a Blockchain With Safely Pruneable Full Blocks

Alexander Chepurnoy, Mario Larangeira+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用 13

一句话总结

Rollerchain 提出了一种区块链协议，通过激励节点集体存储固定数量的历史状态快照，实现对完整区块的安全修剪，采用基于非交互式存储证明的改进型工作量证明方案。这使得理性节点能够将存储需求降低数个数量级，同时不损害网络安全或无需信任的启动机制。

ABSTRACT

Bitcoin is the first successful decentralized global digital cash system. Its mining process requires intense computational resources, therefore its usefulness remains a disputable topic. We aim to solve three problems with Bitcoin and other blockchain systems of today by repurposing their work. First, space to store a blockchain is growing linearly with number of transactions. Second, a honest node is forced to be irrational regarding storing full blocks by a way implementations are done. Third, a trustless bootstrapping process for a new node involves downloading and processing all the transactions ever written into a blockchain. In this paper we present a new consensus protocol for Bitcoin-like peer-to-peer systems where a right to generate a block is given to a party providing non-interactive proofs of storing a subset of the past state snapshots. Unlike the blockchain systems in use today, a network using our protocol is safe if the nodes prune full blocks not needed for mining. We extend the GKL model to describe our Proof-of-Work scheme and a transactional model modifications needed for it. We provide a detailed analysis of our protocol and proofs of its security.

研究动机与目标

• 通过在不损害网络安全的前提下实现完整区块的安全修剪，解决区块链存储不可持续增长的问题。
• 为节点存储历史状态快照提供经济激励，以抵消其理性地丢弃旧区块的倾向。
• 通过保留足够的历史数据以供验证，确保新节点能够实现无需信任的启动，即使完整节点已修剪了大部分区块。
• 重新利用工作量证明挖矿作为存储承诺机制，使矿工的激励与网络的长期可行性保持一致。
• 设计一种可证明安全的协议，扩展 GKL 模型以支持可修剪的完整区块和动态状态快照。

提出的方法

• 引入一种改进型工作量证明方案，要求矿工提供存储过去部分历史状态快照的非交互式证明，而不仅仅是区块头。
• 定义一种挖矿抽奖机制，生成新区块的权利取决于证明其持有随机选择的历史状态快照集合。
• 采用动态的快照要求集合，其数量和选择标准由网络的归档参数 $n$ 和 $k$ 决定。
• 应用 GKL 模型形式化证明改进型工作量证明方案的安全性，确保抵抗女巫攻击和双重支付攻击。
• 集成认证数据结构以表示状态，支持高效的批量更新和紧凑的状态完整性证明。
• 设计一种机制，使新节点可通过下载可信的状态快照并使用密码学证明验证其在链中的包含性，实现安全的启动。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使所有完整节点都是理性的并修剪了大部分历史区块，区块链系统是否仍能保持安全？
• RQ2 如何重构工作量证明系统，以激励长期存储状态快照，而无需依赖利他主义？
• RQ3 哪些密码学和共识机制可确保修剪后的区块不会损害区块链的完整性或终局性？
• RQ4 当完整节点不再存储整个区块链历史时，新节点如何实现无需信任的启动？
• RQ5 理性完整节点在可修剪的区块链中，为保持安全和合规，其最小存储和计算需求是什么？

主要发现

• 与传统完整节点相比，Rollerchain 允许完整节点将存储需求降低多达三个数量级，同时不牺牲安全性。
• 该协议通过要求矿工证明存储固定数量的历史状态快照，确保完整区块的安全修剪，使修剪过程具有密码学可验证性。
• 无需信任的启动机制得以保留，因为新节点可下载可信的状态快照，并使用紧凑的密码学证明验证其在链中的包含性。
• 改进型工作量证明方案在扩展的 GKL 模型下被形式化证明是安全的，确保抵抗女巫攻击和双重支付攻击。
• 该协议具有通用性，可应用于支持认证状态表示的各种区块链系统，无论其事务语义如何。
• 只要足够数量的节点集体存储了所需的快照和区块，系统即使在理性多数节点的条件下仍保持安全。