[论文解读] StakeCube: Combining Sharding and Proof-of-Stake to build Fork-free Secure Permissionless Distributed Ledgers

Antoine Durand, Emmanuelle Anceaume+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用 7

一句话总结

StakeCube 提出了一种无需许可、无分叉的区块链协议，通过结合分片技术和权益证明实现高可扩展性和安全性。通过使用 DHT 实现随机化的分片分配，各权益持有者委员会之间实现可验证的拜占庭协议一致性，并通过诱导轮换机制抵御幽灵攻击，该协议在自适应敌手下实现分叉概率可忽略不计。

ABSTRACT

Our work focuses on the design of a scalable permissionless blockchain in the proof-of-stake setting. In particular, we use a distributed hash table as a building block to set up randomized shards, and then leverage the sharded architecture to validate blocks in an efficient manner. We combine verifiable Byzantine agreements run by shards of stakeholders and a block validation protocol to guarantee that forks occur with negligible probability. We impose induced churn to make shards robust to eclipse attacks, and we rely on the UTXO coin model to guarantee that any stakeholder action is securely verifiable by anyone. Our protocol works against adaptive adversary, and makes no synchrony assumption beyond what is required for the byzantine agreement.

研究动机与目标

• 通过引入减少单节点负载的分片架构，解决现有权益证明区块链的可扩展性限制。
• 在无需依赖工作量证明或超出拜占庭协议一致性的同步假设的前提下，确保无需许可环境中的一致性并防止分叉。
• 通过诱导轮换和动态分片重分配，强制实施不可预测且短暂的用户凭证，以抵御幽灵攻击。
• 使用 UTXO 模型和可验证的随机分片委员会选择机制，维持安全性和可验证性。
• 通过基于前一区块随机种子选择的子委员会机制，实现高效的区块生成，确保去中心化与公平性。

提出的方法

• 使用分布式哈希表（DHT）根据权益和凭证，将权益持有者分配至随机且动态变化的分片中。
• 在每个分片内实现可验证的拜占庭协议，以验证区块，确保一致性和最终性。
• 通过定期轮换用户在分片间的分布，引入诱导轮换机制，使攻击者无法对任一分片实施幽灵攻击。
• 应用区块验证协议，将下一区块创建者的选定绑定至前一区块的随机种子，确保不可预测性。
• 使用 UTXO 模型，实现对权益持有者行为的公开、高效验证，并防止双重支出。
• 通过霍夫丁不等式和并集界的形式化安全分析，限制分片被破坏的概率，确保分叉概率可忽略不计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将分片技术整合进权益证明区块链中，以在保持安全性和一致性的同时提升可扩展性？
• RQ2 哪些机制可以防止自适应敌手操纵分片成员资格或发动幽灵攻击？
• RQ3 该系统如何确保在无需许可、异步环境中无法产生分叉？
• RQ4 在分片化权益证明系统中，权益集中度、凭证管理与安全参数之间存在哪些权衡？
• RQ5 结合可验证随机选择、诱导轮换与基于 DHT 的分片技术，是否能在无需同步假设的前提下实现强安全保证？

主要发现

• 该协议保证分叉发生的概率可忽略不计，其概率的上界呈指数递减，形式化为任一分片被破坏的概率。
• 至少一个分片包含超过 $\mu_{\text{shard}}S$ 恶意凭证的概率被限制在 $ e^{-(2(\mu_{\text{shard}}-\mu_{\text{cred}})^2S - \ln K)} $，该值随分片大小 $S$ 呈指数下降。
• 安全参数 $\mu_{\text{shard}}$ 和 $s_{\min}$ 可根据敌手的权益占比 $\mu$、安全参数 $\kappa$ 和系统规模 $N$ 推导得出，确保对自适应敌手具备鲁棒性。
• 使用 $M$-有界凭证可限制敌手的有效权益，降低其通过持有多个低价值 UTXO 所获得的优势。
• 该协议在除拜占庭协议一致所需之外无需额外的同步假设，因此适用于异步网络中的现实世界部署。
• 理论分析表明，即使敌手控制了总权益的 $\mu$ 比例，系统仍保持安全，前提是 $\mu_{\text{shard}} > \mu_{\text{cred}}$ 且 $S$ 足够大。