可变挖矿算力下并行链协议的安全性

若干新兴的 PoW 区块链协议依赖“并行链”架构以实现扩展，即运行多条链并行并聚合，而非单一链。实用 PoW 区块链的一个关键要求是适应随时间变化的挖矿算力。在本文中，我们考虑可证明安全的、能适应此类挖矿算力变化的并行链协议的设计。比特币难度调整规则周期性调整区块挖矿的难度目标，以获得恒定的平均出块时间。尽管表面简单，该规则已被证明是精巧的，并在实践和理论上都是安全的。我们表明，将比特币调整规则自然适配到并行链情形会为微妙但灾难性的安全性和活性破坏打开大门。我们揭示了一个元设计原则，使我们能在通用规则下为三个流行的 PoW 区块链提案（Prism、OHIE 和 Fruitchains）设计可变挖矿难度协议。该原则有三个组成部分：（M1）一条枢纽链，所有链中的区块基于它选择难度；（M2）引用枢纽链区块的单调条件；（M3）将额外协议方面从使用层级（深度）转换为使用“难度层级”。我们表明，采用这些原则子集的协议可能发生灾难性失败。这些设计的安全性也使用通用规则证明——关键技术挑战在于分析枢纽链与其他链之间的交互，以及界定非枢纽链中经历的难度目标的突变。我们基于历史比特币数据通过模拟实证研究了新挖矿难度规则的响应性，发现该协议非常有效地控制了所有链上的分叉率。