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CoBRA: A Universal Strategyproof Confirmation Protocol for Quorum-based Proof-of-Stake Blockchains

本文介绍了 CoBRA，这是一种通用的策略性确认协议，它通过强制执行交易量限制和最强链规则，扩展了基于法定人数的权益证明区块链，使其能够容忍高达三分之一的拜占庭验证者和三分之一的理性验证者，同时还提供了一种恢复机制，以确保即使在更高的对抗阈值下也能保证安全性、活性以及客户端退款。

原作者： Zeta Avarikioti, Eleftherios Kokoris Kogias, Ray Neiheiser, Christos Stefo

发布于 2026-06-16

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CC BY 4.0

原作者： Zeta Avarikioti, Eleftherios Kokoris Kogias, Ray Neiheiser, Christos Stefo

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一家数字银行，其“金库”由一个验证者委员会负责看守。在一个完美的世界里，委员会中的每个人都是诚实的。在噩梦场景中，所有人都是混乱的恶棍。但在现实世界中，大多数人是理性的：他们不是恶棍，但如果违规能让他们赚更多钱，他们就会破坏规则。

CoBRA（针对拜占庭-理性对手的正确性协议）论文为这个委员会引入了一套新的规则，以应对诚实者、混乱恶棍和贪婪逐利者的混合情况。

以下是 CoBRA 如何运作的故事，使用了简单的类比。

问题：“贪婪邻居”困境

传统的安全系统假设，如果委员会中有超过 1/3 的成员是坏人（拜占庭节点），整个系统就会崩溃。它们还假设剩下的成员是“好人”时，会保持正直。

但 CoBRA 提出了一个问题：如果这些“好人”其实只是贪婪的人呢？
如果恶棍向一个理性的验证者提供贿赂，让他签署一笔虚假交易，理性的验证者可能会说：“行啊，我收下这笔贿赂。”如果贿赂的金额大于被抓获后的惩罚，他们就会破坏规则。

作者首先证明了两件可怕的事情：

在慢速网络中： 如果恶棍和贪婪者加起来占委员会的 1/3 以上，系统无法保证安全。贪婪者总能找到通过双花（double-spend）来牟利的方法。
在快速网络中： 即便网络速度极快，如果坏人和贪婪者占委员会的 2/3 以上，系统仍然注定失败。

解决方案：“限速”与“赏金”

既然我们无法阻止贪婪的人想要钱，CoBRAs 通过改变游戏规则，让破坏规则变成一桩赔本买卖。

1. 限速（权益限制最终确定性）

想象委员会被允许批准交易，但对于在短时间窗口内（例如 10 分钟）能批准的总金额有一个严格的限速。

规则： 在这 10 分钟窗口内批准的交易总价值，不能超过单个验证者作为安全保证金所锁定的资金量（权益）。
逻辑： 如果一个贪婪的验证者试图作弊，批准一笔价值 100 万美元的虚假交易，但他们只锁定了 1 万美元的保证金，那他们就做不到。即使他们得到了 100 万美元的贿赂，一旦被系统发现，他们也会失去那 1 万美元的保证金。
结果： 从数学上讲，理性验证者通过作弊获利的尝试是会被“封顶”的，他们无法通过作弊获得超过其自身抵押金额的利润。

2. 赏金（最强链规则）

有时，委员会运作得非常完美，每个人都在合作。在这种情况下，CoBRA 会解除限速。

规则： 如果绝大多数委员会成员（超过 5/6）非常迅速地对一个区块达成一致，系统就会说：“好吧，我们信任你们。现在你们可以批准任意金额的资金。”
现实检查： 论文研究了 Cosmos 和 Ethereum 等真实世界的网络数据。他们发现，99% 的时间里，委员会实际上都是如此协作的。因此，在现实世界中，CoBRA 大多数时候允许即时的、不受限制的交易批准。

安全网：“恢复室”

如果坏人运气特别好，控制了超过 1/3 的委员会怎么办？如果他们设法欺骗了系统并创建了两个不同的银行账本版本呢？

CoBRA 有一个“恢复室”协议：

暂停： 一旦诚实的验证者看到两个不同的版本（即“分叉”），他们就会停止批准新事项。
审计： 他们会查看是谁签署了虚假版本。由于规则的存在，他们可以精确地证明哪些验证者进行了欺诈。
追缴： 系统会没收这些作弊者的锁定资金（权益）。
赔偿： 被没收的资金将用于向每一位因为虚假交易而遭受损失的人进行赔偿。
- 关键点： 系统不仅仅是说“噢，你的钱没了”。它保证了如果你被诱导接受了一个错误的交易，作弊者的被没收资金将覆盖你的损失。没有新钱被印出来；是作弊者在买单。

“沉默的客户”

CoBRA 的一个关键特性是它适用于沉默的客户。

在许多系统中，你（客户）必须时刻盯着委员会，以确保他们没有撒谎。
在 CoBRA 中，你不需要盯着。你只需要等待一个“最终确定性证书”（Finality Certificate，即数字收据）。如果证书显示交易已完成，那么它就是完成了。如果系统稍后需要进行恢复，该证书能确保你自动获得赔偿。

总结

CoBRA 是一个全新的数字账本协议，它承认了这样一个事实：“人们会为了利润尝试作弊。”

它不是寄希望于人们不作弊，而是设置了一个陷阱：

限制战利品： 你偷取的金额不能超过你自身安全保证金的价值。
奖励诚实： 如果大家表现良好，你们就可以快速移动资金。
补偿受害者： 如果坏人暂时赢得了，他们被没收的保证金将用于全额赔偿受害者，从而确保最终没有任何诚实的人会蒙受损失。

它将验证者的“贪婪”转化为了维持系统安全的动力。

CoBRA 技术摘要：一种面向基于法定人数（Quorum）的权益证明区块链的通用策略证明确认协议

1. 问题陈述

传统的确定性状态机复制（SMR）协议（如 PBFT 和 Hotous）在拜占庭容错（BFT）模型下运行，该模型假设至少有 $2/3$ 的验证者是诚实的。然而，在权益证明（PoS）区块链中，验证者是追求利润最大化的代理人，而非纯粹的利他主义者或任意恶意的行为者。这产生了一种混合威胁模型，由诚实、拜占庭（任意恶意）和理性（策略性、利润驱动）的验证者组成。

本文指出一个关键差距：当理性验证者与拜占庭验证者合谋时，现有协议无法提供安全保证。具体而言：

在部分同步网络中，如果拜占庭和理性验证者的总比例超过 $1/3$ ，任何基于法定人数的 SMR 协议都无法保证安全性。理性验证者可以与拜占庭参与者合谋制造冲突区块（双重签名/等价性问题）并进行双花攻击，且由于潜在收益超过了面临风险的质押量，他们不会受到惩罚（Slashing）的威慑。
在同步网络中，即使已知延迟界限，如果联盟规模超过验证者集的 $2/3$ ，安全性仍然无法实现。
现有的“可问责”协议虽然可以检测错误行为，但无法为接受了冲突交易的客户端提供经济赔偿，通常需要客户端参与或通过铸造新币来补偿损失。

2. 方法论与协议设计

作者提出了 CoBRA（Correct over Byzantine-Rational Adversary，针对拜占庭-理性对手的正确性协议），这是一种针对基于法定人数的 PoS 协议的通用转换方法。其设计依赖于一个混合威胁模型，其中验证者是静态的，而客户端是“沉默的”（即它们不主动监控协议执行，而是向验证者查询确认信息）。

核心机制：

基于质押量限制的最终性（最终性小工具）：
为了防止理性验证者发现分叉是有利可图的，CoBRA 强制执行在任何时间窗口 $\Delta^*$ 内最终化交易量的上限。
- 验证者仅在最终化集合中的总价值不超过 $C = D$ （其中 $D$ 是单个验证者的质押量）时才进行最终化。
- 这确保了即使理性验证者合谋进行双花攻击，其最大收益也被限制在 $D$ 以内。由于一旦被检测到，他们将面临失去全部质押 $D$ 的风险，因此这种攻击变得不再有利可图。
- 最强链规则（Strongest Chain Rule）： 如果超多数参与者（具体为 $> f + 1/2$ ）证明支持某条链，协议允许对无限交易量进行即时确认，从而绕过交易量限制。
激励相容的奖励机制：
为了防止审查攻击（活性攻击），奖励仅在至少有 $n-f$ 个不同验证者参与的时间窗口内进行分配。这确保了理性验证者有动力包含投票和提案，而不是进行审查，因为排除参与会减少总奖励池。
恢复与经济赔偿：
当拜占庭验证者的数量超过标准的 $1/3$ 阈值但仍低于 $2/3$ 时，CoBRA 进入可恢复经济安全机制。
- 冲突检测： 一旦检测到等价性行为（冲突的最终性证书），验证者将停止最终化。
- 集合一致性（Set Agreement）： 验证者运行集合一致性协议，以就执行的共同区块集合达成一致，该集合应包含所有被客户端接受的冲突区块。
- 偿付： 系统回退到分叉前的状态，并按确定性顺序重新执行所有冲突交易。由于双花导致的客户端损失将使用被证明存在失当行为的验证者的被罚没质押金进行偿付。至关重要的是，这一过程无需铸造新币，也无需客户端参与恢复过程。

3. 核心贡献与不可行性结果

不可行性结果：
本文确立了在存在沉默客户端的情况下，基于法定人数的 SMR 在混合模型下的基本限制：

部分同步性： 如果 $f + k \geq n/3$ ，则没有任何基于法定人数的 SMR 协议可以实现 $(n, k, f)$ -弹性（其中 $k$ 为理性， $f$ 为拜占庭）。这推广了经典的 $1/3$ 拜占庭阈值，将其纳入了经济动机引发的偏差。
同步性： 即使存在已知的同步界限，如果 $f + k \geq 2n/3$ ，SMR 也是不可行的。
最终性延迟： 如果不对流动资金或参与奖励设定限制，在对抗者规模超过上述阈值时，没有任何协议能保证在 $\Delta^*$ 窗口内实现最终性，因为理性验证者可以进行超过其质押量的双花攻击。

协议贡献：

CoBRA 转换： 一种将任何 $(n, f)$ -弹性的法定人数 SMR 转换为 $(n, k, f^*)$ -弹性协议的通用方法。
三种运行机制：
1. 标准机制： 在部分同步环境下维持针对最多 $1/3$ 拜占庭验证者的安全性。
2. 理性弹性机制： 当最多存在 $1/3$ 的额外理性验证者（总计 $< 2/3$ ）时，确保安全性与活性，前提是已知同步界限 $\Delta^*$ 。
3. 可恢复机制： 当拜占庭验证者超过 $1/3$ 但低于 $2/3$ 时，保证完全的客户端偿付和状态恢复。
联盟合规性： 协议确保即使在与拜占庭参与者合谋时，理性验证者也没有偏离协议的动机，因为它使符合协议的策略在弱占优意义上优于偏离策略。

4. 结果与实证验证

作者通过对 Cosmos 和 Ethereum 网络进行的实证分析验证了 CoBRA 的可行性：

参与率： 对连续一百万个 Cosmos 区块的分析显示，超过 99% 的区块超过了“最强链”规则所需的 $5/6$ 参与度阈值。
启示： 在这些现实场景中，CoBRA 将允许在绝大多数区块中实现即时交易确认；而质押量限制规则则会在极少数低参与度时期（在观察到的数据中持续约 15 分钟）处理安全性问题。
经济安全性： 研究表明，活跃验证者的最小可罚没质押量（在 Cosmos 案例中约为 47 万美元）足以覆盖低参与度窗口的交易量（约为 18 万美元），从而确保理论上可以实现完全的客户端偿付。

5. 意义与主张

本文声称，它是第一个能够实现以下目标的通用法定人数 SMR 转换协议：

当拜占庭方少于 $1/3$ 时，提供最优的理性弹性。
当拜占庭阈值被超过（最高达 $2/3$ ）时，为客户端提供经济保护，特别是通过保证无需铸造新币即可实现损失的全额偿付。
通过解决传统 BFT 分析中经常忽略的理性验证者策略行为问题，弥合了理论共识极限与实际 PoS 安全性之间的鸿沟。

作者将 CoBRA 定位为一种解决方案，使 PoS 区块链即使在“诚实超多数”假设被策略性合谋破坏时，只要总对抗力量不超过 $2/3$ 的质押量，仍能保持安全性和活性。