[论文解读] StrongChain: Transparent and Collaborative Proof-of-Work Consensus

Paweł Szałachowski, Daniël Reijsbergen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 34被引用 25

一句话总结

StrongChain 提出了一种透明且协作的工作量证明共识机制，通过利用弱解（有效但不足以完成工作量证明的谜题）来增强比特币类区块链的安全性、效率和去中心化程度。通过激励矿工共享并追加弱解，该协议降低了奖励波动性，抑制了矿池的形成，并提升了区块链的时效性，实现证明其高效性和可部署性。

ABSTRACT

Bitcoin is the most successful cryptocurrency so far. This is mainly due to its novel consensus algorithm, which is based on proof-of-work combined with a cryptographically-protected data structure and a rewarding scheme that incentivizes nodes to participate. However, despite its unprecedented success Bitcoin suffers from many inefficiencies. For instance, Bitcoin's consensus mechanism has been proved to be incentive-incompatible, its high reward variance causes centralization, and its hardcoded deflation raises questions about its long-term sustainability. In this work, we revise the Bitcoin consensus mechanism by proposing StrongChain, a scheme that introduces transparency and incentivizes participants to collaborate rather than to compete. The core design of our protocol is to reflect and utilize the computing power aggregated on the blockchain which is invisible and "wasted" in Bitcoin today. Introducing relatively easy, although important changes to Bitcoin's design enables us to improve many crucial aspects of Bitcoin-like cryptocurrencies making it more secure, efficient, and profitable for participants. We thoroughly analyze our approach and we present an implementation of StrongChain. The obtained results confirm its efficiency, security, and deployability.

研究动机与目标

• 解决比特币激励不相容性及高奖励波动性问题，后者导致因矿池而产生中心化倾向。
• 通过提升矿工之间的透明度与协作性，降低Sybil攻击和51%攻击的风险。
• 通过改进奖励机制，减轻 deflationary 压力，提升长期可持续性。
• 通过将弱解纳入共识机制，提升区块链的时效性与收敛速度。
• 设计一种可逐步部署于现有工作量证明区块链的协议，仅需极少改动。

提出的方法

• 将弱解——即有效但无法最终确定区块的工作量证明谜题——引入区块链协议。
• 不仅奖励最终完成区块的强解，也奖励发现并共享弱解的矿工。
• 设计一种奖励机制，激励矿工立即宣布弱解与强解，以提升系统透明度。
• 修改区块链验证流程，使其接受并传播弱解，将它们整合进链的安全性与进度模型中。
• 使用密码学哈希与目标阈值定义弱解与强解，保持与比特币现有工作量证明结构的兼容性。
• 实施一种共识规则，优先选择累积弱解量更高的链，从而增强安全性和公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否重新设计工作量证明共识机制，使矿工之间的关系从竞争转向协作？
• RQ2 如何有意义地将弱解整合进区块链共识机制，以提升安全性和效率？
• RQ3 通过协作挖矿激励，比特币类系统中的奖励波动性可降低到何种程度？
• RQ4 与传统的 Nakamoto 共识相比，引入弱解是否能提升区块链的时效性与收敛速度？
• RQ5 所提出的方案能否在不破坏向后兼容性的前提下，逐步部署于现有工作量证明区块链上？

主要发现

• StrongChain 通过在弱解与强解之间分配激励，降低了奖励波动性，减少了对矿池的依赖，从而降低了中心化风险。
• 该协议通过加快弱解的传播与验证，提升了区块链的时效性，促进了共识更快收敛。
• 实现结果证实，StrongChain 具备高效性与可部署性，对现有比特币类协议仅需极少修改。
• 由于协作激励结构，该系统在某些攻击（如自私挖矿与矿池合谋）下具备可证明更高的安全性。
• 与传统矿池不同，StrongChain 不会产生零和博弈效应；相反，协作能提升整体系统与矿工的盈利能力。
• 该协议在保持与比特币工作量证明结构向后兼容的同时，显著增强了透明度与去中心化程度。