Babylon: Повторное использование майнинга Bitcoin для повышения безопасности Proof-of-Stake

1.1. От Proof-of-Work к Proof-of-Stake

Безопасность Bitcoin обеспечивается огромной вычислительной мощностью (примерно $1.4 \times 10^{21}$ хешей/сек), что делает атаки чрезвычайно дорогими, но ценой огромных энергозатрат. В отличие от этого, блокчейны на Proof-of-Stake (PoS), такие как Ethereum 2.0, Cardano и Cosmos, энергоэффективны и предлагают такие возможности, как быстрое завершение (finality) и подотчётность через сжигание доли (stake slashing). Однако этот переход создаёт новые проблемы безопасности.

1.2. Проблемы безопасности Proof-of-Stake

В работе выявлены фундаментальные ограничения в достижении минимизирующей доверие криптоэкономической безопасности в чистых системах PoS:

• Ненаказуемые атаки дальнего действия (Long-Range Attacks): Злоумышленники могут использовать старые, дешёво приобретённые монеты для переписывания истории после вывода доли, что невозможно в PoW из-за накопленной сложности.
• Ненаказуемая цензура и блокировка: Некоторые атаки на живучесть (liveness) не могут быть наказаны экономически.
• Проблема начальной загрузки (Bootstrapping Problem): Новые PoS-цепи с низкой стоимостью токена не обладают внутренней безопасностью.

Авторы утверждают, что ни один протокол PoS не может обеспечить безопасность с наказанием (slashable safety) без внешних допущений о доверии.

2.1. Базовая архитектура и объединённый майнинг

Майнеры Babylon выполняют объединённый майнинг (merge mining) с Bitcoin. Они встраивают данные, связанные с Babylon (например, контрольные точки PoS-цепей), в блоки Bitcoin, которые они уже майнят. Это обеспечивает Babylon тот же уровень безопасности, что и у Bitcoin, при нулевых предельных энергозатратах.

2.2. Сервис временных меток с гарантией доступности данных

Основная услуга, которую Babylon предоставляет PoS-цепям, — это сервис временных меток с гарантией доступности данных (data-available timestamping service). PoS-цепи могут ставить временные метки на:

• Контрольные точки блоков (для завершённости)
• Доказательства мошенничества (fraud proofs)
• Зацензурированные транзакции

Как только данные получают временную метку в Bitcoin через Babylon, они наследуют неизменяемость и устойчивость к цензуре Bitcoin, эффективно используя Bitcoin как надёжный якорь.

3.1. Теорема криптоэкономической безопасности

Безопасность протокола PoS, усиленного Babylon, формально описывается теоремой криптоэкономической безопасности. Эта теорема моделирует рациональных, экономически мотивированных валидаторов и определяет безопасность с точки зрения стоимости, необходимой для нарушения безопасности (safety) или живучести (liveness), с учётом штрафов за сжигание доли.

3.2. Безопасность и живучесть с наказанием

Формальный анализ показывает, что Babylon обеспечивает:

• Безопасность с наказанием (Slashable Safety): Любое нарушение безопасности (например, атака дальнего действия, создающая конфликтующую контрольную точку) может быть криптографически доказано, и доля виновного валидатора может быть сожжена. Стоимость атаки на безопасность превышает размер штрафа.
• Живучесть с наказанием (Slashable Liveness): Определённые классы атак на живучесть (например, постоянная цензура запросов на временные метки) также становятся идентифицируемыми и наказуемыми.

Это переводит безопасность PoS от допущения «честного большинства» к проверяемой экономической модели.

4.1. Оригинальный анализ: Ключевая идея и логика

Ключевая идея: Гениальность Babylon заключается не только в гибридном консенсусе; она в признании хеш-мощности Bitcoin как невозвратных затрат, недозагруженного актива. Вместо того чтобы конкурировать с Bitcoin или заменять его, Babylon паразитически использует его бюджет безопасности в $20+ миллиардов для решения самых сложных проблем PoS. Это классическая стратегия «симбиоз вместо замены», напоминающая о том, как решения второго уровня, такие как Lightning Network, используют базовый слой Bitcoin, а не изобретают его заново.

Логика: Аргументация остра как бритва: 1) Чистый PoS не может самостоятельно достичь безопасности с наказанием (отрицательный результат, который они утверждают). 2) Внешнее доверие (например, социальный консенсус) громоздко и медленно. 3) Bitcoin предлагает самый дорогой, децентрализованный и надёжный источник внешнего доверия из существующих. 4) Следовательно, нужно ставить временные метки на состояние PoS в Bitcoin, чтобы унаследовать его свойства безопасности. Инновация заключается в логическом скачке от шага 3 к 4 — в том, чтобы сделать этот процесс временных меток эффективным и криптоэкономически обоснованным с помощью объединённого майнинга.

Сильные стороны и недостатки: Основная сила — элегантное повторное использование ресурсов. Это мультипликатор силы для безопасности PoS. Формальная модель безопасности также является значительным вкладом, предоставляя строгий фреймворк, аналогичный используемым при анализе протоколов, таких как Tendermint Core или консенсус Algorand. Однако сила модели сильно зависит от допущения о «рациональном валидаторе» и точной оценке стоимости атак по сравнению с штрафами — сложной проблемы теории игр. Критический недостаток — введение зависимости живучести от Bitcoin. Если Bitcoin испытывает длительную перегрузку или катастрофическую ошибку, безопасность всех подключённых PoS-цепей ухудшается. Это создаёт новый вектор системного риска, централизуя живучесть вокруг производительности Bitcoin.

Практические выводы: Для инвесторов и разработчиков Babylon создаёт новую теорию оценки: Bitcoin как платформа безопасности как услуги (security-as-a-service). PoS-цепям больше не нужно создавать безопасность только из своей собственной рыночной капитализации. Это может значительно снизить барьер для входа новых цепей. Практически командам следует оценить компромисс между получением безопасности с наказанием и принятием времени блока Bitcoin (~10 минут) как минимальной задержки для завершённости. Дорожная карта развития должна решить проблему зависимости живучести, возможно, через механизмы отката или использование нескольких PoW-цепей, а не только Bitcoin.

4.2. Технические детали и математическая формулировка

Безопасность можно концептуализировать через анализ затрат и выгод для злоумышленника. Пусть:

• $C_{attack}$ — общая стоимость выполнения атаки на безопасность (например, переписывание дальнего действия).
• $P_{slash}$ — стоимость доли, которая может быть доказательно сожжена в результате.
• $R$ — потенциальная награда от атаки.

Протокол обеспечивает криптоэкономическую безопасность, если для любой осуществимой атаки выполняется следующее:

$C_{attack} + P_{slash} > R$

В чистой PoS-атаке дальнего действия $P_{slash} \approx 0$, потому что старая доля выведена. Babylon увеличивает $P_{slash}$, позволяя PoS-цепи поставить временную метку на доказательство мошенничества в Bitcoin, делая нарушение неоспоримым, а долю (даже если она недавно выведена) — сжигаемой на основе неизменяемой записи. Стоимость $C_{attack}$ теперь включает стоимость переписывания как истории PoS-цепи, так и блоков Bitcoin, содержащих компрометирующую временную метку, что является вычислительно неосуществимым.

Процесс временных меток включает создание криптографического обязательства (например, корня Меркла) контрольной точки PoS-цепи и его встраивание в блокчейн Bitcoin через вывод OP_RETURN или аналогичный метод во время объединённого майнинга.

4.3. Фреймворк анализа и пример

Сценарий: Новая специфичная для приложения блокчейн-цепь на основе Cosmos («Зона») хочет запуститься, но имеет низкую начальную рыночную капитализацию токена ($10 миллионов). Она уязвима для дешёвой атаки дальнего действия.

Протокол, усиленный Babylon:

1. Валидаторы Зоны периодически (например, каждые 100 блоков) создают контрольную точку — подписанный хеш блока, представляющий состояние цепи.
2. Они отправляют эту контрольную точку в сеть Babylon.
3. Майнер Babylon, добывая блок Bitcoin, включает корень Меркла контрольной точки в coinbase-транзакцию.
4. Как только блок Bitcoin подтверждён (например, на глубине 6 блоков), контрольная точка считается завершённой (finalized) Зоной. Безопасность этой завершённости теперь обеспечена хеш-мощностью Bitcoin.

Смягчение атаки: Если злоумышленник позже попытается создать конфликтующую цепь, ответвляющуюся от состояния до этой контрольной точки, он также должен переписать цепь Bitcoin с блока, содержащего временную метку. Стоимость этого на порядки выше собственной стоимости стейкинга Зоны, что делает атаку экономически нерациональной. Более того, подписи оригинальных валидаторов на контрольной точке предоставляют доказательство мошенничества, которое можно использовать для сжигания их залога, даже если они уже вывели свои средства.

Этот фреймворк преобразует безопасность из функции собственного стейкинга Зоны в $10M в функцию многомиллиардной безопасности Bitcoin, эффективно «арендуя» безопасность Bitcoin.