一种基于拜占庭容错的PoS共识协议形式化分析方法.docx资源-CSDN文库

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近年来,区块链作为一种新兴的技术在众多领域得到广泛应用。区块链通常

被描述为异步网络上互不信任的对等节点共同维护的公共账本 ,该账本具有去中

心化、不可篡改性等特性。区块链共识协议

[1,2]

旨在确保存在恶意参与方的情况

下,区块链网络中的参与方最终也能对共识的数据达成一致。自 2008 年中本聪

提出基于求解哈希难题的 PoW（Proof of Work）共识协议

[3]

起,不同种类的区块

链共识协议被不断提出并应用到实际的场景中,但共识协议设计过程中会引入安

全隐患或漏洞,如自私挖矿

[4]

、双花攻击

[5]

、分布式拒绝服务

[6]

等。

基于拜占庭容错的 PoS（Proof of Stake）共识协议

[7]

被视为 PoW 共识协议

的替代方案之一,但该类协议的安全需求是否得到满足仍需验证。该类共识协议

旨在针对开放区块链网络提供更高的安全性,并且能够较大程度上缓解 PoW 共识

协议能源耗费过大的问题。基于拜占庭容错的 PoS 共识协议支持任意数量的运

行节点,并且支持一定的拜占庭容错能力,所以协议的形式化安全分析存在困难。

具体而言,协议中每个节点都有各自的状态迁移过程,研究者很难分析多个节点之

间状态迁移的异步交织关系,同时所有节点的状态转移过程都可能对协议安全性

产生影响,但对所有节点状态直接建模会导致状态空间爆炸问题。

1 相关工作

随着协议设计变得越来越复杂,人工分析协议安全性变得越发困难。部分研

究人员利用形式化验证工具如 Proverif

[8]

、Tamarin-prover

[9]

辅助分析安全协议

并发现了大量安全缺陷 , 如 5G 鉴权协议 5G-AKA

[10]

、 WiFi 接入保护协议

WPA2

[11]

和安全传输层协议 TLS 1.3

[12]

等。目前也有很多针对区块链共识协议的

形式化分析工作,其中,PoW 共识协议被广泛研究。MILLER

[13]

等人分析了同步网

络中 PoW 共识协议变体的单次拜占庭共识问题 ,但模型中对敌手的限制较多。

GARAY

[14]

等人提出了 PoW 共识共同前缀和链质量属性的计算模型证明。

PASS

[15]

等人引入了基于部分同步网络的理想化模型,敌手可以在该网络中将消息

延迟到某个延迟上限,通过定义并分析一致性发现了一种延迟攻击。

近年来,随着 PoS 区块链的兴起 ,一些研究者开始尝试分析 PoS 共识协议

[16,1 7]

。DAVID

[17]

等人在半同步环境下形式化分析了 PoS 共识协议 Ouroboros

Praos,假定敌手可以破坏持有权益的任何参与方,且协议参与方无法获取被敌手

控制的消息的传递延迟,并基于随机预言模型证明了协议在标准密码学假设下的

安全性。 Tendermint 共识协议是第一种基于拜占庭容错的 PoS 共

识,YACKOLLEY

[18]

等人在半同步系统中手工证明了协议的一致性、有效性等安

全属性。THIN

[19]

等人利用符号化方法形式化建模了 Tendermint 共识协议,并利

用 PAT 模型检测工具分析了协议是否会发生死锁等问题 ,但该模型仅能分析少数

节点时安全属性的成立情况,节点数量过多时模型存在状态空间爆炸问题。

本文提出一种基于拜占庭容错的 PoS 共识协议的形式化分析方法,提出共识

节点整体状态迁移的归纳建模方法,通过将多个不同共识节点的运行状态转移映

射为一个整体的状态转移过程,约简了模型的状态空间,有效解决了状态空间爆炸

问题。结合实际的安全威胁,本文构建了信道和攻击者的形式化模型,分析了不同

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