Themis: Fast, Strong Order-Fairness in Byzantine Consensus
CCS 2023

筆記

后續的研究方向

摘要

我們介紹了Themis，這是一種將交易的公平排序引入（許可的）拜占庭共識協議的方案，最多具有𝑓中的故障節點𝑛 ≥4.𝑓 +1.Themis強化了迄今為止提出的最強有力的公平排序概念。它還實現了標準的生動性，而不是具有相同公平排序性質的先前工作的較弱概念。

我們通過實驗證明，Themis可以集成到最先進的共識協議中，只需最少的修改或性能開銷。此外，我們還介紹了一系列普遍感興趣的實驗，用于評估公平排序的各種概念的實際強度以及公平排序協議對對抗性操作的彈性。我們使用這組實驗來表明，Themisis強制執行的公平排序概念在實踐中比競爭系統的概念更強。

我們相信Themis提供了強大的實用保護，可以抵御當前影響常用智能合約系統的許多類型的事務排序攻擊，如前運行和后運行。

引言

去中心化金融（DeFi），即在區塊鏈上部署金融工具，近年來引起了人們的極大興趣，截至2023年1月，DeFi協議鎖定了超過450億美元[4]。不幸的是，盡管DeFi繼續流行，但一長串工作[14，16，24，33，41]表明，通過操縱訂單來獲取利潤的對手越來越多以及將交易包括在DeFi應用程序中。例如，在去中心化交易所和借貸合同中，交易執行順序至關重要，這種順序操縱會導致攻擊者以犧牲普通用戶為代價獲利。

在現有協議中，訂單操作是可能的，這主要是因為狀態機復制（SMR）或共識（支撐區塊鏈的基元）所需的形式屬性對交易的排序方式沒有限制。一致性和活躍性這兩個共識安全的支柱都不能強制執行交易到達網絡的順序與其最終順序之間的任何關系。事實上，在允許的共識協議（如PBFT[12]和Hotstuff[39]）和無許可的協議（如以太坊）中，當前的“領導者”完全控制其創建的區塊內交易的包含和排序。

為了解決傳統共識研究中的這一差距，最近的一項工作[9，20，22，25，26，40]提出了具有所謂公平排序特性的協議，即防止對抗性操縱交易排序的特性。這些工作提出了公平性的幾個定義【我們使用“公平性”來指交易排序或公平排序的公平性，盡管該術語過去曾用于不相關的概念（例如，公平PoW挖掘[32]）。】以及實現這些定義的協議。直觀地說，這種公平的風格試圖根據交易如何進入網絡來保證最終分類賬中的特定排序。這些概念是不同的，并且在許多情況下比過去的排序屬性更強，例如因果排序[8，34]，因果排序僅阻止純粹基于交易內容的交易重新排序，并且無法解釋一系列攻擊，例如，基于元數據泄漏或將對抗性交易優先于其他交易的攻擊（例如，獲得資產的最佳購買價格[30]）。關于公平訂購的新工作路線試圖在更基本的層面上解決訂購問題；值得注意的是，[20，22，40]都發現了公平排序問題與社會選擇理論之間令人興奮的聯系。

秩序井然

然而，現有的公平排序協議具有嚴重的實際局限性。[22]中的Aequitas協議具有不切實際的高O(𝑛3） 通信復雜性，并且也只能提供較弱的活躍性特性。后續工作的協議需要O(𝑛2） 但是存在顯著的其他缺點。

[9]中的協議（與我們的工作并行）僅在所有節點都是誠實的情況下才顯示出提供活躍性（見第7節）。此外，正如我們所展示的（見第6節），Pomp?e[40]中存在微妙的審查問題，并且Pomp?e[40]和Wendy[25]所滿足的公平性質明顯弱于Aequtias的公平性質。表1顯示了一些比較點。

這項工作提出了一個新的協議Themis，我們稱之為第一個可以實際部署的公平排序協議。Themis實現了與Aequitas相同的強公平性，保證了生存性，并且我們的實現成本最低超過Hotstuff[39]，這是一種廣泛使用的最先進的共識協議，沒有任何公平的排序保證。本文的完整版本見[21]。