Areon：延迟友好且弹性多提议者共识

Source: arXiv - 2511.23025v1

Overview

本文介绍了 Areon，一种新的权益证明（PoS）共识协议族，允许多个验证者同时提议区块并将这些区块组织成有向无环图（DAG）。通过这种方式，Areon 在仍然保证安全性和活性（在现实网络条件下）的前提下，降低了确认延迟。

Key Contributions

• 多提议者 DAG 设计 – 允许多个验证者在同一时隙发布区块，将线性链转化为宽度受限的 DAG，以捕获对历史的并行“投票”。
• 最近公共祖先（CCA）分叉选择规则 – 一种轻量、窗口过滤的算法，基于近期的短引用选择权重最大的子 DAG，提供快速终结性。
• Tip‑Boundedness 不变式 – 保证 DAG 前沿的宽度永不超过固定上限，使诚实工作能够快速聚合。
• 形式化安全分析 – 证明了 DAG 版的公共前缀、链增长和链质量，并推导出基于骨干（backbone）框架的 ((k,\varepsilon)) 终结性界限，将确认深度与协议的滑动窗口关联。
• 实用实现（Areon‑Base） – 在理想化模型之上加入基于 VRF 的提议者资格、受限引用规则以及应用层区块验证。
• 实验评估 – 仿真表明，在多种对手持股比例和网络延迟下，Areon‑Base 相比 Ouroboros Praos 始终实现更低的延迟和更少的链重组。

Methodology

1. 协议抽象 – 作者首先定义了一个理想化版本（Areon‑Ideal），该版本忽略网络延迟和引用限制，使核心思想更易于推理。
2. DAG 构建 – 每个时隙可以包含多个提议者区块。区块引用一组 短 的近期 tip（位于滑动窗口内）和一组 长 的旧祖先，从而形成 DAG 而非单链。
3. 分叉选择规则 – 节点运行 CCA 算法：定位竞争子 DAG 的最近公共祖先，然后比较各子 DAG 在窗口内收到的短引用数量。权重更高的子 DAG 获胜。
4. 资格与有效性 – Areon‑Base 使用可验证随机函数（VRF）决定哪些验证者可以在某个时隙提议，并在应用层执行每个区块的有效性/冲突检查。
5. 安全性证明 – 通过改编经典的“骨干”框架，作者证明在部分同步模型下，协议满足安全性（两个诚实节点不会最终确定冲突的历史）和活性（链持续增长）。
6. 仿真 – 离散事件仿真器复现真实网络延迟和对手行为，将 Areon‑Base 与链式 PoS 基准（Ouroboros Praos）在相同区块产出率下进行比较。

Results & Findings

• 有界延迟终结性 – 确认时间随滑动窗口大小线性增长，而不是随整个链深度增长，即使在高网络延迟下也能保持可预测的低延迟。
• 重组次数降低 – 在持股对手比例 0 % 至 40 % 且网络延迟最高 2 秒的场景中，Areon‑Base 的重组频率比 Praos 低 30‑70 %，且任何重组的深度始终更浅。
• 吞吐量持平 – 由于总区块到达率相同，Areon‑Base 在获得延迟优势的同时并未牺牲原始吞吐量。
• 对抗性行为的鲁棒性 – CCA 规则依赖近期短引用，使得攻击者在不控制大量持股的情况下难以影响终结性，安全保证与传统链式 PoS 相当。

Practical Implications

• 更快的交易终结性 – 应用（如 DeFi、游戏、物联网）可以在亚秒或低秒级确认时间内完成交易，无需等待多个区块，提高用户体验。
• 降低分叉重组风险 – 开发者可以设计假设更稳定的规范历史的协议，简化状态同步和轻客户端的实现。
• 可扩展的验证者集合 – 多提议者时隙让更多验证者同时参与，降低中心化压力，同时保持 DAG 宽度受限。
• 易于与现有 PoS 生态集成 – Areon‑Base 的 VRF 资格和区块级有效性检查兼容当前的质押基础设施，迁移或混合部署具备可行性。
• 更丰富的 DAG 基础功能潜力 – 有界宽度的前沿为并行交易处理、分片或跨链互操作等提供了安全的共识层支持。

Limitations & Future Work

• 未覆盖交易选择 – 本文聚焦区块级共识；将复杂的交易排序、抽样或冗余机制集成进来仍是开放挑战。
• 假设持股多数诚实 – 安全性证明依赖传统 PoS 假设，即诚实验证者持有 > 50 % 的股份；极端的持股集中可能削弱 CCA 规则的效果。
• 仅基于仿真评估 – 结果来源于离散事件仿真；真实网络动态、硬件异构以及对手策略可能带来额外细节。
• 参数调优 – 对于特定部署，如何选择最优的滑动窗口长度和引用上限仍需进一步的实证研究。

Areon 证明了精心设计的多提议者 DAG 能在不牺牲安全性的前提下实现低延迟、弹性的共识。随着区块链平台不断追求更快的终结性和更高的验证者参与度，本文的思想有望影响下一代 PoS 协议的设计。

Authors

• Álvaro Castro-Castilla
• Marcin Pawlowski
• Hong-Sheng Zhou

Paper Information

• arXiv ID: 2511.23025v1
• Categories: cs.DC
• Published: November 28, 2025
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