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. Byzantine fault-tolerant (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 (PoW) and proof-of-stake (PoS) 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 that are significant for protocol design. We demonstrate the utility of our general framework with several concrete results: 1. We prove a CAP-type impossibility theorem asserting that liveness with an unknown level of participation rules out security in a partially synchronous setting. 2. Delving deeper into the partially synchronous setting, we prove that a necessary and sufficient condition for security is the production of "certificates," meaning stand-alone proofs of block confirmation. 3. Restricting to synchronous settings, we prove that typical protocols with a known level of participation (including longest chain-type PoS protocols) can be adapted to provide certificates, but those with an unknown level of participation cannot. 4. Finally, we use our framework to articulate a modular two-step approach to blockchain security analysis that effectively reduces the permissionless case to the permissioned case.


翻译:链链协议在根本上各有不同,包括选择用户生产区块的机制(例如,工作证明相对于工作证明)和建立共识的方法(例如,最长时间链规则相对于Byzantine过失容忍协议(BFT)激励协议 ) 。 这些基本差异阻碍了不同类别块链协议之间的“应用到应用”比较,反过来,也阻碍了正式讨论其相对优点的理论的发展。本文展示了足以捕捉和比较许多众所周知的无许可连锁协议的特性的讽刺抽象抽象的抽象概念,同时捕捉了典型链链协议(PoW)和测试协议(PoS)的基本特性,以及建立共识协议的方法。这些基本差异阻碍了不同类别的“应用到应用”比较,从而妨碍了不同类别块链协议之间的精确比较,从而妨碍了对协议设计至关重要的选择过程的特性。我们展示了我们总框架的实用性,但有一些具体结果:1. 我们证明CAP型的不易操作状态表明,活性与不甚清楚的链式系统(PoW) 和链路标(PoW) 协议(POS) 协议的基本特性特性。 4. 和不为不甚明的正常的链规则的同步性标准, 使得安全规则的精细化,我们无法进行必要的同步化。

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