3https://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumptionTrack: 3rd Workshop on Linked Data & Distributed Ledgers WWW 2018, April 23-27, 2018, Lyon, France11650当信任节省能源：基于信任证明（PoT）区块链的参考框架 �0Leila Bahri 皇家理工学院 - KTH，斯德哥尔摩lbahri@kth.se0Sarunas Girdzijauskas 皇家理工学院 -KTH，斯德哥尔摩 sarunasg@kth.se0摘要0区块链吸引了许多技术、金融和工业方面的关注，作为实现安全的点对点（P2P）交易系统的有希望的基础设施。区块链的核心是工作量证明（PoW），这是一种基于计算能力展示的无信任领导者选举机制。PoW在无信任的P2P环境中提供了区块链的安全性，但以浪费大量能源为代价。在这项研究工作中，我们对在存在某种形式的信任的区块链使用情况下PoW的能源消耗提出了质疑。我们提出了一种基于信任的证明（PoT）区块链，其中对等方的信任在网络中根据以分散方式出现并由区块链本身编码和管理的信任图进行评估。然后，这种信任被用作对PoW难度的豁免；也就是说，在网络中证明的信任越多，需要的工作量越少。0关键词0区块链，工作量证明，比特币，分布式账本，PoW很昂贵，信任证明，PoW的替代方案0ACM参考格式：Leila Bahri和SarunasGirdzijauskas。2018。当信任节省能源：基于信任证明（PoT）区块链的参考框架。在WWW '18Companion：2018年网络会议伴侣，2018年4月23日至27日，法国里昂。ACM，纽约，纽约，美国，5页。https://doi.org/10.1145/3184558.319155301 引言0比特币已经证明，无信任的对等方可以在互联网上创建和交换价值，而无需任何中央受信任的机构的中介。比特币背后的主要技术是区块链，它是一个公共账本，记录系统交易随时间发生的情况，并由比特币P2P网络管理。区块链已经吸引了来自金融、工业以及学术（例如，[10]，[4]）领域的许多方面的关注，并且被许多人视为P2P计算的一场革命[16]。然而，区块链，如比特币所示，也是一种靠消耗大量能源生存的生物。0� 一篇简短的论文 1例如，https://hbr.org/2017/03/how-blockchain-is-changing-finance 2 例如，IBM的HyperLedger: https://www.hyperledger.org/0本文发表在知识共享署名4.0国际（CC BY4.0）许可下。作者保留在其个人和公司网站上传播作品的权利，并附上适当的归属。WWW '18 Companion，2018年4月23日至27日，法国里昂。© 2018IW3C2（国际万维网会议委员会），根据知识共享CC BY 4.0许可发布。ACM ISBN978-1-4503-5640-4/18/04。https://doi.org/10.1145/3184558.31915530比特币为了实现其核心共识协议工作量证明（PoW），需要大量的能源。目前比特币的年电力消耗估计约为39.5 TWh，略高于卡塔尔和保加利亚等整个国家的年消耗量。30在这项工作中，我们探索了一种替代的区块链操作机制，它提供了相同的P2P交易能力，而无需消耗如此大量的能源。我们的方法通过信任来豁免能源消耗，引入了Proof-of-Trust（PoT）区块链的概念。我们对可以在系统中相互表达意见并在系统内声明信任链接的用例场景建模PoT。信任可以基于系统中的显式因素（例如，对等方之间发生的交易，网络中观察到的行为）或其他隐含元素（例如，对等方之间的业务关系或与区块链支持的底层应用程序相关的任何其他标准）来声明。随着对私有许可区块链的概念化以及其他非货币区块链系统（例如，身份管理、访问控制、数据溯源、联盟管理等）的兴趣日益增长，这些用例变得越来越明显。在PoT中，每个对等方根据以分散方式出现并由区块链本身编码和管理的动态信任图在网络中获得一个信任值。这种获得的信任被用作对传统PoW所需能量的豁免。我们开发了PoT框架，并分析了其安全性和可操作性。我们正在进行的在定义的攻击模型下的实验性探索和安全性分析显示出非常有希望的结果。例如，对包括BitcoinOTC在内的两个真实世界信任数据集的初步实验表明，信任网络动态始终保证了出现受信任的对等方，这些对等方在整个网络中的比例不超过10%；相比于未豁免的PoW，PoT至少能够实现20倍的能源改进。02 区块链技术0区块链，如比特币中的区块链，是一个分布式账本，可供参与网络的任何人使用，所有相关交易都公开向所有参与节点宣布。节点将有效交易提交到与先前提交的区块加密锁定的区块中。这些提交的交易块形成了一个按时间顺序和密封的区块序列，即区块链。区块链可以是公共的或私有的。公共区块链采用无需许可的模式运行，节点可以在不需要任何身份管理的情况下加入网络。在私有区块链中，参与节点需要遵守许可模式，其身份需要获得批准。4https://en.bitcoin.it/wiki/Confirmation5https://blockchain.info/charts/hash-rate?timespan=2yearsTrack: 3rd Workshop on Linked Data & Distributed Ledgers WWW 2018, April 23-27, 2018, Lyon, France11660在参与网络之前，用户需要获得某些第三方机构（可能是区块链网络本身）的许可。比特币的区块链是无需许可的，而我们的PoT框架可以适用于这两种模式。共识技术 -工作量证明（PoW）。区块链管理需要一种共识机制来确定在每一轮新的扩展区块链时，谁将提出下一个区块，同时考虑到系统中强加的无信任P2P拜占庭环境。这种分散式共识是通过一个密码学哈希难题实现的，该难题允许将区块密封在一起，并选择下一个区块的提议者。密码学哈希难题要求找到一个与前一个区块的信息一起哈希成小于给定约定值的数字的密码学随机数，该约定值被称为难度级别。使用密码哈希既可以为区块链提供防篡改的特性，又可以提供计算密集型的难题。这使得我们能够解决拜占庭领导者选举问题，即根据计算能力的比例选择（和信任）领导者。为了参与工作量证明的挑战，领导者会获得比特币作为奖励，这也是系统中产生新比特币的机制（因此被称为比特币挖矿）。PoW非常昂贵。PoW是一种能源消耗性机制，能源消耗与系统中可用的总计算能力成正比增长。事实上，PoW的难度级别会在网络中自动调整，以保持连续轮之间的预定时间。也被称为区块时间，它反映了区块链中每两个确认的区块之间的时间间隔，并用于同步网络中的通信。区块时间需要足够长，以考虑网络延迟，并确保大多数P2P网络中的节点在下一个区块被宣布之前已经听说过该区块。更重要的是，该参数与PoW区块链的安全性正相关，因为区块时间越长，区块链对攻击的抵抗能力越强[6]。更高的区块时间也等同于较慢的交易确认；也就是说，在PoW区块链中，速度和安全性通常是相互权衡的。例如，比特币协议中的区块时间通常设置为10分钟，交易确认时间被认为是60分钟；也就是说，当交易被包含在至少在相应区块链上有6个区块深度的区块中时，比特币交易才能得到安全确认。为了保持预定的区块时间及其相应的安全保证，随着系统中可用的计算能力越来越高（CPU变得更强大和/或更多人加入网络），PoW的难度也会增加。例如，在2016年，比特币矿工的平均哈希率为每秒10^18次；而在2017年，这个速率增加到10^21数量级。这显然导致了相同交易量的能源消耗率不断增加。此外，高PoW难度级别使得普通用户使用普通硬件参与系统变得非常昂贵。事实上，比特币目前由少数几个控制着的挖矿池运行。0它的管理；因此，它实际上是由少数几个参与者集中控制的。60这些PoW的缺点引发了对其可扩展性的担忧，并激发了对其他更节能的替代方案的研究。大多数建议的替代方案7要么依赖于对物理资源的拥有（例如[17]，[12]），要么依赖于在区块链系统中拥有货币价值（即股份）。这种思路的前提是，通过拥有在现实生活中具有价值的东西来证明对等方之间缺失的信任。实际上，它遵循着这样的断言：“你拥有的越多，你就越受信任”，或者“你拥有的越多，你就越有领导地位的合法性”。03 我们的提议：PoT0我们对仅仅依赖于对物理或货币资源的拥有的方法提出了质疑，这种方法在某些情况下可以在系统内表达和/或捕捉到某种形式的信任。随着对私有许可区块链或其他非货币区块链系统的概念化兴趣的提高，这些用例确实变得更加明显。因此，我们从信任在任何协作系统中都是固有的这一假设出发（因为对等方可以根据他们共享的交易或观察到的行为来形成对彼此的意见），我们研究使用信任证明（PoT）作为领导选举中对等方需要展示的工作量（或物质丰富度）的豁免。目标是在网络中出现更多可信任的节点时，尽量减少在PoW上花费的能量。也就是说，树立“你越受信任，你就越少工作”的思维方式。我们的核心思想是通过依赖用作工作豁免的信任度指标来减少PoW所需的工作量，从而以更少的能量消耗实现共识。如图1所示，随着系统中总计算能力的急剧增加，PoW所需的能量大幅增加，而随着网络中出现更多可信任的节点，PoT所需的能量预计会减少。设计PoT需要解决一些设计和技术挑战。首先，需要设计一个基于该网络中将管理信任的模型，以及将每个网络节点与信任度指标关联的机制。这应该考虑到区块链的分散特性。除此之外，还需要设计一个PoT协议，该协议应该使用生成的信任度指标作为PoW的校准，而不会破坏区块链的安全性或影响其性能。其中一个问题在于确保系统不会被少数几个最高信任的节点所主导，并且网络可以自适应以避免垄断的信任权力。考虑到上述问题，我们设计了一个PoT参考框架，它代表了需要解决的主要构建模块，以实现PoT区块链。如图所示06 https://www.technologyreview.com/s/610018/ 7大多数替代方案在论坛中进行讨论，只有少数几个方案已经在研究论文中得到正式化。 8可用的计算能力确实随着时间增长，比特币网络的统计数据显示，仅在2017年内可用的哈希率从theta增长到zeta每秒：https://blockchain.info/charts/hash-rateTrusted peers in the systemAmount of work (i.e., energy) spentComputational power in the systemActual energy expenditure curve under PoW from Bitcoin (hash rate between October 2016 and 2017)Predicted energy expenditure curve under PoT…Figure 2, our proposed PoT framework is comprised of 4 phasesthat are run consecutively following a decentralized and secure PoTprotocol.Trust graph emergence model. PoT implies a trust graphbased on which peers can be annotated with a trust metric. Ideally,each peer should be able to declare, in a decentralized uncontrolledfashion, her trust towards any member of the system, thereby con-structing a trust graph which later can be unambiguously encodedinto the blockchain itself. Trust graphs could also emerge in avariety of other ways, such as being extracted from the peers so-cial networks, inferred from the interactions between peers in theunderlying system, etc. These options depend on the extent towhich identity management is enforced (i.e., public with permis-sionless participation or private with permissioned membership),and should not in any case break the decentralized property of theenvironment.Trust graph consensus mechanism. The trust graph is thebasis for computing trust metrics that should be available to allthe peers in the network for consensus. The most intuitive ideais to have the trust graph written in the blockchain itself. Thelimitation might be on the size of the graph, as compared to theblock size limitation imposed on blockchains because of network11670图1：以能量消耗量（即工作量）为核心差异，解释了PoW和PoT之间的区别。实线蓝曲线代表系统中总计算能力增加时能量消耗的增加，该曲线是根据比特币在2016年1月至2017年10月之间的PoW难度实际变化推断得出的。虚线绿曲线代表随着网络中出现更多可信任的节点，能量消耗预计会减少，仅供说明。0信任图的出现0模型0信任图的共识机制0信任度计算0模型0PoT领导者选择协议0A0Q Z0E D0V0R0图2：PoT参考框架：四个连接的模块及其图形说明。0吞吐量考虑。我们建议只在区块链中提交信任图的安全摘要，从而提供轻量级的去中心化共识。信任度计算模型。基于一个每个人都同意的信任图（即编码在区块链中），需要提取一个信任度度量，一方面给予拥有更多传入信任链接的节点更多的信任，另一方面不允许出现任何集中的超级中心节点。文献中包含了许多可以用于计算信任度度量的算法（例如[5]，[7]，[8]，[14]）。关键要素在于确定性，以便所有节点可以独立地达到相同的结果。除此之外，该度量应该对伪造的信任具有韧性，这可以通过使用垃圾邮件农场来实现。事实上，这是基于图的信任（即中心性）度量中的一个众所周知的问题，因为节点可以创建伪造的身份，以增加其传入链接的数量，从而提高其在网络中的重要性[3]。文献中有许多提议来解决这个问题，主要集中在建立可信节点的白名单上，基于这个白名单可以识别和隔离系统中的可疑恶意节点[15]。白名单的需求来自于高度中心节点所展示的连接模式看起来相似，无论节点是否合法地获得了这种中心性（真正高度可信）或非法地获得了这种中心性（由垃圾邮件农场支持）。这使得很难区分真正高度可信的节点和那些看起来高度可信但实际上是由虚假身份支持的节点之间的区别。然而，在我们的场景中，我们可能有兴趣丢弃最高可信的节点，而不管它们的信任是如何获得的。一方面，显然非法高度可信的节点应该被丢弃。另一方面，即使是合法的最高可信节点，也可能在其小圈子（高度可信节点的小圈子）内引入集中化权力的风险。事实上，幂律行为通常在自然图中表现出来，只有少数节点达到相对较高的中心性（即中心节点），而其他节点则相对较低[1]。除此之外，自然信任图中的信任分布也被认为是缓慢变化的，存在“富者愈富，穷者愈穷”的现象。因此，少数高度可信节点的小子集将很容易通过时间来维持其位置，这也使得新节点加入变得具有挑战性。考虑到这些因素，设计一个天真地为每个块选择高度可信节点的PoT引入了使系统几乎集中化的风险，权力只集中在少数最富有的节点手中。因此，需要开发一种信任度度量，考虑到所有这些方面，智能地和自适应地在所有可信节点之间重新分配权力，而不是仅在最富有节点的小圈子内集中权力。我们对结合不同的中心性度量（如PageRank[14]和Katz中心性[2]）进行初步研究的结果显示出有希望的结果。PoT领导者选择。最直观的想法之一是根据K个最高可信节点之间的轮流选择来选举节点，其中K是网络中约定的数字。然而，这将导致区块链的集中化管理仅掌握在K个节点手中。为了避免这种情况，我们基于信任放弃PoW的PoT协议来开发我们的PoT协议。在PoT下，节点继续运行PoW，但有一个关键的区别-每个节点的加密难题的难度与其0Track: 3rd Workshop on Linked Data & Distributed Ledgers WWW 2018, April 23-27, 2018, Lyon, FranceHeaderPayloadPoT DataHeaderPayloadPoT DataHeaderPayloadPoT DataB0B1B2…Trusted Candidates Set[1] Lada A Adamic, Rajan M Lukose, Amit R Puniyani, and Bernardo A Huberman.2001. Search in power-law networks. Physical review E 64, 4 (2001), 046135.[2] Stephen P Borgatti and Martin G Everett. 2006. A graph-theoretic perspectiveon centrality. Social networks 28, 4 (2006), 466–484.[3] Ye Du, Yaoyun Shi, and Xin Zhao. 2007. Using spam farm to boost PageRank. InProceedings of the 3rd international workshop on Adversarial information retrievalon the web. ACM, 29–36.[4] Ittay Eyal, Adem Efe Gencer, Emin Gün Sirer, and Robbert Van Renesse. 2016.Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol.. In NSDI. 45–59.[5] Rino Falcone, Giovanni Pezzulo, and Cristiano Castelfranchi. 2002. A fuzzyapproach to a belief-based trust computation. In Workshop on Deception, Fraudand Trust in Agent Societies. Springer, 73–86.[6] Juan A Garay, Aggelos Kiayias, and Nikos Leonardos. 2015. The Bitcoin BackboneProtocol: Analysis and Applications.. In EUROCRYPT (2). 281–310.[7] Ferry Hendrikx, Kris Bubendorfer, and Ryan Chard. 2015. Reputation systems: Asurvey and taxonomy. J. Parallel and Distrib. Comput. 75 (2015), 184–197.[8] Audun Jøsang, Roslan Ismail, and Colin Boyd. 2007. A survey of trust andreputation systems for online service provision. Decision support systems 43, 2(2007), 618–644.9https://www.bitcoin-otc.com/Track: 3rd Workshop on Linked Data & Distributed Ledgers WWW 2018, April 23-27, 2018, Lyon, France11680B A C0D F E0S H Z V0k0Trust4Graph PoT协议0C0F0B0图3：PoT概述：信任图被编码在区块链中，PoT协议运行并在每一轮中根据底层信任图的总信任选择一个随机选择的节点，该节点应该是管理的区块链中下一个提议的区块的领导者。0从信任图中提取的信任值。实际上，该系统对高信任节点豁免了PoW的工作量，并按比例选择领导者来提议管理的区块链中的下一个区块。低信任节点被选中的机会非常小，因为更受信任的节点有特权以更低的难度级别进行挖矿。因此，预计低信任节点将没有动机甚至尝试进行PoW，从而减少系统的整体能源消耗。然而，这并不意味着低信任节点将被系统丢弃，因为它们始终可以通过未来的轮次增加它们的信任。考虑到这一点，我们在图3上提出了一个基于限制仅在信任高于预定义阈值的节点之间选择领导者的实际建议，具体取决于区块链应用领域。在每一轮中，由上一轮的领导者生成一个可信候选集（TCS），并使用低难度PoW选择一个获胜的矿工。该难度级别在网络中根据每一轮TCS中可用的挖矿能力进行调整。正如前面所解释的，这种调整是为了保持系统中稳定的区块时间。我们注意到，在PoT中，与纯PoW相比，受信任的节点被允许以更低的难度级别进行挖矿，从而导致更短的区块时间。由于参与PoT本质上是被实现信任所禁止的，更短的区块时间可以被容忍，而不会对系统的安全性产生与纯PoW相同的副作用（即假定受信任的节点是诚实的）。PoT的安全性依赖于TCS的成员是诚实的（因为他们是受信任的）。主要问题是能够控制恶意节点在多大程度上破坏底层信任图，以非法增加其结果信任度量的能力。此外，还存在着陷入准中心化情景的风险，其中区块链管理被少数高度信任的节点所主导。这些节点还可以形成垄断权力的联合体，使新节点赢得竞争变得昂贵（可能是不可能的）。因此，需要一个智能的信任度量，该度量应该在网络中自适应，以防止来自虚假身份的恶意行为，以及来自少数节点的垄断行为。0信任的巨人。我们的初步实验分析显示了有希望的结果。例如，对两种不同的中心性度量，PageRank [14]和Katz[2]的组合进行调查，结果显示，在95%的情况下，可以区分出合法的超级中心节点和那些遵循与[3]中相同结构的垃圾农场支持的节点。PoT下的节能。预计PoT将减少维护基于区块链的系统所需的能量量，特别是对于那些不一定涉及纯数字货币管理的用例场景。信任是众多应用领域的固有特性，参与的节点通常并不被同等信任。使用PoT的概念预计会抑制低信任的节点参与挖矿过程，因为与特权更受信任的节点相比，它们的机会会大大降低。仅通过实现这一点，低信任节点本来会花费的能量将被自然地节省下来。除此之外，更受信任的节点将以更低的难度级别进行挖矿，从而导致交易确认速度更快，进一步降低每笔交易的能量消耗。我们对BitcoinOTC数据集[11]进行的初步实验，该数据集是一个由约5k个节点和11k条边组成的用于在BitcoinOTC平台上进行交易的信任网络，显示出节点之间的信任并不相等，只有5.75%的节点被高度信任（即信任值至少比所有低信任节点高25倍）。通过PoT豁免，每个时期的94.25%最不受信任的节点将没有参与PoW的动机，从而至少节省了这么多的能量。04 结论0在这项工作中，我们提出了PoT区块链的概念，其中信任被用作对PoW的豁免。我们工作的新颖之处在于提出了一个PoT框架，定义了实现PoT区块链所需的关键模块，并形式化了确保其鲁棒性和安全性所需的属性。PoT保留了PoW区块链的去中心化和安全性，同时有潜力显著降低能源消耗。我们正在对系统的安全性进行广泛的研究，包括在形式化的攻击模型下进行研究，并致力于使PoT自适应，以防止高度信任（即最富有）节点的主导，并使网络能够抵御信任的非法提升（例如，抵御垃圾农场现象）。0参考文献[9] Aggelos Kiayias, Alexander Russell, Bernardo David, and Roman Oliynykov. 2017.Ouroboros: A provably secure proof-of-stake blockchain protocol. In AnnualInternational Cryptology Conference. Springer, 357–388.[10] Ahmed Kosba, Andrew Miller, Elaine Shi, Zikai Wen, and Charalampos Papaman-thou. 2016. Hawk: The blockchain model of cryptography and privacy-preservingsmart contracts. In Security and Privacy (SP), 2016 IEEE Symposium on. IEEE, 839–858.[11] Jure Leskovec and Andrej Krevl. 2014. SNAP Datasets: Stanford Large NetworkDataset Collection. http://snap.stanford.edu/data. (June 2014).[12] Mitar Milutinovic, Warren He, Howard Wu, and Maxinder Kanwal. 2016. Proofof Luck: An efficient Blockchain consensus protocol. In Proceedings of the 1stWorkshop on System Software for Trusted Execution. ACM, 2.[13] Satoshi Nakamoto. 2008. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. (2008).[14] Lawrence Page, Sergey Brin, Rajeev Motwani, and Terry Winograd. 1999. ThePageRank citation ranking: Bringing order to the web. Technical Report. StanfordInfoLab.[15] Nikita Spirin and Jiawei Han. 2012. Survey on web spam detection: principlesand algorithms. ACM SIGKDD Explorations Newsletter 13, 2 (2012), 50–64.[16] Don Tapscott and Alex Tapscott. 2016. Blockchain Revolution: How the technologybehind Bitcoin is changing money, business, and the world. Penguin.[17] Fan Zhang, Ittay Eyal, Robert Escriva, Ari Juels, and Robbert van Renesse. 2017.REM: Resource-Efficient Mining for Blockchains. IACR Cryptology ePrint Archive2017 (2017), 179.[18] Guy Zyskind, Oz Nathan, et al. 2015. Decentralizing privacy: Using blockchain toprotect personal data. In Security and Privacy Workshops (SPW), 2015 IEEE. IEEE,180–184.11690主题：2018年4月23日至27日，法国里昂举办的第三届链接数据与分布式账本WWW 2018研讨会
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