Babylon：复用比特币挖矿以增强权益证明安全性

1.1. 从工作量证明到权益证明

比特币的安全性由巨大的计算哈希算力支撑（约每秒 $1.4 \times 10^{21}$ 次哈希），这使得攻击成本极高，但代价是巨大的能源消耗。相比之下，以太坊2.0、Cardano和Cosmos等权益证明区块链能效更高，并通过权益罚没等机制提供了快速最终性和可追责性等特性。然而，这种转变也引入了新的安全挑战。

1.2. 权益证明的安全性问题

该论文指出了纯权益证明系统在实现信任最小化的加密经济安全方面的根本性局限：

• 不可罚没的长程攻击：攻击者可以利用旧的、廉价获取的代币，在权益被提取后重写历史。由于累积难度，这在PoW中是不可能的。
• 不可罚没的审查与停滞攻击：某些针对活性的攻击无法进行经济惩罚。
• 冷启动问题：代币估值低的新PoS链缺乏内在安全性。

作者认为，任何PoS协议都无法在不依赖外部信任假设的情况下提供可罚没的安全性。

2.1. 核心架构与联合挖矿

Babylon矿工与比特币进行联合挖矿。他们将与Babylon相关的数据（例如，PoS链检查点）嵌入到他们正在挖掘的比特币区块中。这为Babylon提供了与比特币同等级别的安全性，且边际能源成本为零。

2.2. 数据可用的时间戳服务

Babylon为PoS链提供的核心服务是数据可用的时间戳服务。PoS链可以为以下内容加盖时间戳：

• 区块检查点（用于最终性）
• 欺诈证明
• 被审查的交易

一旦数据通过Babylon在比特币上被加盖时间戳，它就继承了比特币的不可篡改性和抗审查性，有效地将比特币用作一个强大的锚点。

3.1. 加密经济安全定理

由Babylon增强的PoS协议的安全性由一个加密经济安全定理形式化地描述。该定理对理性的、受经济驱动的验证者进行建模，并根据违反安全性或活性所需的成本（考虑罚没惩罚）来定义安全性。

3.2. 可罚没的安全性与活性

形式化分析表明，Babylon能够实现：

• 可罚没的安全性：任何安全性违规行为（例如，创建冲突检查点的长程攻击）都可以被密码学证明，并且违规验证者的权益可以被罚没。攻击安全性的成本超过了罚没惩罚。
• 可罚没的活性：某些类别的活性攻击（例如，持续审查时间戳请求）也变得可识别和可惩罚。

这将PoS的安全性从“诚实多数”假设转变为可验证的、基于经济的假设。

4.1. 原创分析：核心洞察与逻辑脉络

核心洞察：Babylon的巧妙之处不仅在于混合共识；更在于认识到比特币的哈希算力是一种沉没成本、未被充分利用的资产。Babylon并非与比特币竞争或取代它，而是寄生式地利用其超过200亿美元的安全预算来解决PoS最棘手的问题。这是一种经典的“共生而非替代”策略，让人联想到闪电网络等Layer 2解决方案如何利用比特币的基础层而非重新发明它。

逻辑脉络：论证过程非常清晰：1) 纯PoS无法单独实现可罚没的安全性（这是他们声称的一个负面结果）。2) 外部信任（例如，社会共识）笨拙且缓慢。3) 比特币提供了现存最昂贵、去中心化和稳健的外部信任来源。4) 因此，将PoS状态加盖时间戳到比特币上以继承其安全属性。从步骤3到步骤4的逻辑飞跃正是创新所在——通过联合挖矿使这种时间戳机制高效且符合加密经济学原理。

优势与缺陷：主要优势是优雅的资源复用。它是PoS安全性的力量倍增器。其形式化安全模型也是一个重要贡献，提供了一个类似于分析Tendermint Core或Algorand共识协议时所使用的严谨框架。然而，该模型的强度在很大程度上依赖于“理性验证者”假设，以及对攻击成本与罚没惩罚的准确估价——这是一个复杂的博弈论问题。一个关键缺陷是引入了对比特币的活性依赖。如果比特币经历长时间拥堵或灾难性漏洞，所有连接的PoS链的安全性都会下降。这创造了一个新的系统性风险向量，将活性集中依赖于比特币的性能。

可操作的见解：对于投资者和建设者而言，Babylon创造了一个新的估值论点：比特币作为安全即服务平台。 PoS链不再需要仅从其自身的市值来启动安全性。这可以显著降低新链的进入门槛。实际上，团队应权衡获得可罚没的安全性与接受比特币约10分钟的区块时间作为最终性延迟下限之间的利弊。未来的发展路线图必须解决活性依赖问题，或许可以通过备用机制或利用多个PoW链（不仅仅是比特币）来实现。

4.2. 技术细节与数学表述

可以通过对攻击者的成本效益分析来概念化其安全性。令：

• $C_{attack}$ 为执行安全性攻击（例如，长程修订）的总成本。
• $P_{slash}$ 为可证明因此被罚没的权益价值。
• $R$ 为攻击的潜在收益。

如果一个协议对于任何可行的攻击都满足以下条件，则它提供了加密经济安全：

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

在纯PoS长程攻击中，$P_{slash} \approx 0$，因为旧的权益已被提取。Babylon通过允许PoS链在比特币上为欺诈证明加盖时间戳来增加 $P_{slash}$，使得违规行为无可辩驳，并且权益（即使最近已提取）也可以基于不可篡改的记录被罚没。成本 $C_{attack}$ 现在包括重写PoS链历史以及包含定罪时间戳的比特币区块的成本，这在计算上是不可行的。

时间戳过程包括创建PoS链检查点的密码学承诺（例如，默克尔根），并通过联合挖矿期间使用OP_RETURN输出或类似方法将其嵌入比特币区块链。

4.3. 分析框架与示例案例

场景： 一个基于Cosmos的新应用特定区块链（“Zone”）希望启动，但其初始代币市值较低（1000万美元）。它容易受到廉价的长程攻击。

Babylon增强协议：

1. Zone验证者定期（例如，每100个区块）创建一个检查点——一个代表链状态的已签名区块哈希。
2. 他们将该检查点提交给Babylon网络。
3. 一位Babylon矿工在挖掘比特币区块时，将检查点的默克尔根包含在coinbase交易中。
4. 一旦比特币区块被确认（例如，6个确认深度），该检查点就被Zone视为最终确定。此最终性的安全性现在由比特币的哈希算力支持。

攻击缓解： 如果攻击者后来试图创建从该检查点之前分叉的冲突链，他们还必须重写包含时间戳的比特币区块之后的比特币链。其成本比Zone自身的质押价值高出数个数量级，使得攻击在经济上不理性。此外，检查点上原始验证者的签名提供了欺诈证明，可用于罚没他们的保证金，即使他们此后已解除绑定。

该框架将安全性从依赖于Zone自身1000万美元的质押，转变为依赖于比特币数十亿美元的安全性，有效地“租用”了比特币的安全性。