To implement a blockchain, we need a blockchain protocol for all the nodes to follow. To design a blockchain protocol, we need a block publisher selection mechanism and a chain selection rule. In Proof-of-Stake (PoS) based blockchain protocols, block publisher selection mechanism selects the node to publish the next block based on the relative stake held by the node. However, PoS protocols, such as Ouroboros v1, may face vulnerability to fully adaptive corruptions. In this paper, we propose a novel PoS-based blockchain protocol, QuickSync, to achieve security against fully adaptive corruptions while improving on performance. We propose a metric called block power, a value defined for each block, derived from the output of the verifiable random function based on the digital signature of the block publisher. With this metric, we compute chain power, the sum of block powers of all the blocks comprising the chain, for all the valid chains. These metrics are a function of the block publisher's stake to enable the PoS aspect of the protocol. The chain selection rule selects the chain with the highest chain power as the one to extend. This chain selection rule hence determines the selected block publisher of the previous block. When we use metrics to define the chain selection rule, it may lead to vulnerabilities against Sybil attacks. QuickSync uses a Sybil attack resistant function implemented using histogram matching. We prove that QuickSync satisfies common prefix, chain growth, and chain quality properties and hence it is secure. We also show that it is resilient to different types of adversarial attack strategies. Our analysis demonstrates that QuickSync performs better than Bitcoin by an order of magnitude on both transactions per second and time to finality, and better than Ouroboros v1 by a factor of three on time to finality.


翻译:为了实现区块链,我们需要一种区块链协议,让所有节点都能按照这个协议操作。要设计一个区块链协议,我们需要一个区块发布者选择机制和一个链选择规则。在基于权益证明(PoS)的区块链协议中,区块发布者选择机制根据节点持有的相对权益选择下一个区块的发布者。然而,像Ouroboros v1这样的PoS协议可能会面临全适应性腐败的漏洞。在本文中,我们提出了一种新的基于PoS的区块链协议,QuickSync,旨在实现针对全适应性腐败的安全性,并且在性能方面有所提高。我们提出了一个称为块功率的度量,针对每个块定义了一个值,该值源自于基于块发布者的数字签名的可验证随机函数的输出。通过这个度量值,我们计算所有有效链的链功率,即所有包含在链中的块功率之和。这些度量值是块发布者权益的一个函数,以实现协议的PoS方面。链选择规则选择具有最高链功率的链作为要扩展的链。因此,这个链选择规则确定了前一个块发布者的选择。当使用度量值来定义链选择规则时,可能会导致易受Sybil攻击的漏洞。QuickSync使用直方图匹配实现了抗Sybil攻击的函数。我们证明了QuickSync满足公共前缀、链生长和链质量属性,因此是安全的。我们还表明它对不同类型的敌对攻击策略具有韧性。我们分析表明,QuickSync在每秒交易数和最终性时间上的性能都比比特币高一个数量级,在最终性时间上比Ouroboros v1高三倍。

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