[论文解读] Sidechains: Decoupled Consensus Between Chains

Alberto Garoffolo, Robert Viglione|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2018

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

本文提出了一种针对Horizen的新型侧链架构，可在无需主链节点追踪侧链的情况下，实现安全、去中心化的跨链转账。该架构引入了‘认证者’（certifiers）——一个基于权益证明的群体，负责签发并验证跨账本证书以实现反向转账，通过基于存款的惩罚机制实现欺诈检测，从而实现无需信任、可扩展的侧链部署，且主链开销极低。

ABSTRACT

We propose a novel sidechain construction tailored to be compatible with the Horizen blockchain and designed for conducting secure and decentralized cross-chain transfers without requiring the mainchain nodes to track sidechains to verify them. The proposed scheme can also be adopted for other similar blockchain systems. We show that our cross-ledger transfer mechanism is secure under certain plausible assumptions.

研究动机与目标

• 为解决像Horizen这样的单体区块链在可扩展性和可扩展性方面的局限性，通过在不修改主链共识的前提下支持功能丰富的侧链。
• 消除对中心化验证者或矿工进行跨链转账的依赖，降低信任假设。
• 设计一种侧链机制，使主链节点仅需追踪认证者集合和余额，而无需追踪完整的侧链状态。
• 通过具有经济激励和欺诈检测机制的认证者群体，实现安全、去中心化的反向转账。
• 提供一种标准化、可组合的框架，用于部署多个具有自定义参数的侧链。

提出的方法

• 在主链上引入一种侧链创建交易，用于注册具有唯一ID、起始区块和周期参数的新侧链。
• 定义提款周期，包含准备阶段和认证阶段，在此期间认证者为资金提款签发跨账本证书（CCCert）。
• 采用基于权益证明的认证者群体：每位认证者锁定一笔存款，其集体签名构成一笔用于提款的CCert。
• 设置争议期（dispute_len），在此期间可报告CCert中的欺诈行为，并通过削减认证者存款的方式实施惩罚。
• 实施确定性的欺诈检测机制：若认证者签发欺诈性证书，可在后续周期内被报告并受到惩罚。
• 前向转账（主链到侧链）依赖SPV证明，而反向转账则通过认证者签名和欺诈报告机制保障安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不需主链节点验证或追踪侧链状态的前提下，保障反向跨链转账的安全性？
• RQ2 何种机制可确保认证者无法在不遭受经济损失的情况下欺诈性地提取资金？
• RQ3 能否设计一种去中心化、非基于矿工的跨链转账系统，在理性行为假设下具备可证明的安全性？
• RQ4 如何实现多个侧链的标准化、可组合的部署，同时将主链开销降至最低？
• RQ5 在侧链设计中，安全、速度与效率之间的权衡是什么？这些权衡如何通过可配置参数进行调节？

主要发现

• 在假设多数认证者诚实的前提下，反向转账协议对合谋认证者的攻击具有安全性，因为欺诈行为将导致存款被没收，造成净损失。
• 欺诈检测是确定性的且可在主链上验证，从而通过争议机制及时惩罚恶意认证者。
• 主链节点仅需追踪当前的认证者集合及每个侧链的余额，无需追踪完整的侧链状态，显著降低了开销。
• 该系统支持同时部署多个侧链，每个侧链均可自定义参数，如周期长度、最低转账金额和争议窗口。
• 该协议实现了无需信任、去中心化的侧链部署，无需依赖中心化验证者或矿工来监督跨链转账。
• 经济激励模型确保认证者不会因欺诈而获利，因为欺诈成本远超潜在收益。