BTC-Pegged Staking 方案

中文 CKB 开发与技术讨论
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背景

PoS 方案，因其启动快速，资金成本与协调成本低，消耗能量更少等特性，被新公链广泛采用，但是在种种安全假设上，PoS 仍与 PoW 有较大差距，并存在以下种种问题：

  1. 初始启动问题：一开始难以获得去中心化且足够高市值的资产作为安全保证，PoS前期筹码集中，所以导致链本身也很中心化。
  2. 安全自指涉问题：使用协议发行的代币决定协议代币的发行，存在可能存在安全隐患，并且由于激励方式问题，可能进一步加剧筹码集中。
  3. 由于底层也基于PoS，重质押的滥用将影响PoS链的底层安全。

此外，对于PoS还存在多种攻击方式，常见的攻击如下：

  1. 无利害攻击：验证人在同一区块高度签名多个不同的区块，使得区块无法敲定。
  2. 长程攻击：通过购买私钥等方案，获取在历史某个时刻超过 67% 的权益，构造一个分叉链。
  3. 审查攻击：验证人不打包新增质押的交易。
  4. 懒惰攻击：验证人不参与区块验证，影响链的活性，超过 34% 将使得链停止。
  5. 验证人签名不合法的区块。

一个想法是使用 PoW链产出的代币作为质押代币，为PoS链提供安全性，并通过将PoS链锚定在PoW链上，以规避种种问题。使用 CKB 或者 NervosDAO 的衍生CKB作为质押是可行的，并且CKB有图灵完备的脚本可以检查 PoS 质押的正确性，但目前 CKB 的市值，作为质押来源，难以提供足够的安全性。

BTC-Pegged PoS

Robin Linus 提出了一种质押 BTC 发起 PoS 链的方案，叫 Stake Chian，该方案后续由 Robin Linus 与 Babylon 合作进行了扩展。

如果使用 BTC 作为质押代币的来源，以及定时将检查点打到 BTC 上，那么可以解决长程攻击，并抵抗一定程度的区块重组，因为检查点被部署在 BTC 上，而 PoW 不是主观的；对于审查攻击，因为质押交易发生在 BTC 上，审查BTC 交易的难度也远大于所有的 PoS 链。

对于懒惰攻击和不合法区块签名的攻击，首先验证人将无法获得对应区块的奖励，如果可以证明其签名了不合法的区块（有超过 67% 的权益同意），那么还可以扣除其已经累积的Staking奖励。

对于无利害攻击，则可以通过可抽取的一次签名（EOTS）解决，由于 Schnorr 签名的特性， 对于不同的消息，如果采用相同 Nonce 签名，将导致私钥泄露，那么可以使用这一特性抵抗无利害攻击。规定某个高度签名的nonce，如果验证人签名了矛盾的信息，将导致私钥泄露，并使得其质押被罚没。

但是目前的 PoS 共识算法的 equivocation，除了能在同一高度出两个区块外，验证者还可能对两个矛盾的分支在不同高度签名，而这无法简单由 EOTS 解决。

为了解决这个问题，Babylon提出了一种方案，即将 EOTS 作为 Finality gadget 附着在任意已有的 PoS 系统上，而不是直接参与共识过程，即：

  • 验证人在BTC上质押指定 Schnorr 地址。
  • Schnorr 绑定一个已有共识算法使用的签名算法，如BLS，ed25519。
  • 验证人首先由共识算法规定的签名算法参与共识，并达成敲定条件。
  • 在由原本的共识算法敲定后，进行 Schnorr 签名，在获取67%以上权益签名后，达成Finality。

这样的好处是，任何原有的 PoS 系统将不用做任何修改，而只需要补充一个 Finality Gadget 即可由 BTC 质押保证安全性。

另一个问题是限制条款问题，如果只是披露私钥，如果验证人与大矿工合谋，则仍然可能导致对PoS攻击后无法罚没。为了避免这个问题，质押应该只能被烧掉，利用限制条款能解决这个问题，但目前限制条款无法在BTC上使用，Babylon 使用了一个多签委员会用于模拟限制条款，理论上使用门限签名网络也可以。

相比合并挖矿的优势，在合并挖矿中，BTC大矿工可以对合并挖矿链进行无利害攻击，而在 BTC-Pegged PoS中则无法实施相关攻击。

Babylon的完整方案

Babylon使用了两种 BTC 脚本：

  1. 质押脚本，存在三个解锁路径
    • 时间锁路径，到期后质押者可收回质押。
    • 解质押路径，由质押者和多签委员会签名，输出到解质押脚本。
    • 罚没路径，由质押者，受委托者和多签委员会签名，输出到零地址。并且质押者必须提前发布对这个交易的签名，质押才能生效。所以质押是支持代理的。
  2. 解质押脚本
    • 时间锁路径，到期后质押者可收回质押。
    • 罚没路径，由质押者，受委托者和多签委员会签名，输出到零地址。并且质押者必须提前发布对这个交易的签名，解质押才能生效。

BTC链上存在多种交易：

  1. 质押交易：一个输出是质押输出。
  2. 解质押交易：一个输入是质押输出，一个输出是解质押输出
  3. 罚没交易：一个输入是质押或者解质押输出，对应的BTC转移到销毁地址。
  4. Checkpoint 交易，在达成Finality后，需要将区块以及验证人签名合并哈希，使用交易提交到BTC链上进行锚定。

CKB 使用该方案的可能性

由于Finality Gadget的设计，该方案可以对接 Overlord，并使用 CKB 作为 BTC 与诸多 BTC- Pegged PoS 链的 Hub 层和中间层。

对于需要同构绑定的链，可以将 CKB 的共识算法修改为 Overlord，使其成为由BTC质押保护的 BTC Layer2。

对于需要账户模型的链，可以使用 Axon，使其成为由 BTC 质押保护 EVM兼容 的 BTC Layer2。

如果未来 CKB 市值持续上升，可以推出使用 NervosDao 衍生 CKB 质押的 PoS 链。

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