[論文レビュー] A PoW-less Bitcoin with Certified Byzantine Consensus

Marco Benedetti, Francesco De Sclavis+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、信頼できるバリデーター連合を前提とした許可型でPoWを排除したBitcoinの変種を提案する。このシステムは、認証済みByzantine Fault-Tolerant (BFT) コンセンサスプロトコルと見直し版FROST閾値署名方式を組み合わせており、決定的最終性と強固な故障耐性を実現する。Bitcoinのコア暗号技術とデータ構造を維持しつつ、PoWに代わる安全で効率的かつ動的再構成可能なコンセンサスメカニズムを採用しており、CBDCや企業ブロックチェーンに適している。

ABSTRACT

Distributed Ledger Technologies (DLTs), when managed by a few trusted validators, require most but not all of the machinery available in public DLTs. In this work, we explore one possible way to profit from this state of affairs. We devise a combination of a modified Practical Byzantine Fault Tolerant (PBFT) protocol and a revised Flexible Round-Optimized Schnorr Threshold Signatures (FROST) scheme, and then we inject the resulting proof-of-authority consensus algorithm into Bitcoin (chosen for the reliability, openness, and liveliness it brings in), replacing its PoW machinery. The combined protocol may operate as a modern, safe foundation for digital payment systems and Central Bank Digital Currencies (CBDC).

研究の動機と目的

• Bitcoinの技術スタックが、Proof-of-Workを排除した許可型で信頼できるバリデーター環境において再利用可能かどうかを検討すること。
• 中央集権的または許可型環境ではリソースベースのコンセンサスが不必要かつ不安全であるため、PoWの限界を是正すること。
• Bitcoinの信頼性とオープン性を維持しつつ、決定的最終性を実現できる、安全で効率的かつ動的再構成可能なコンセンサスプロトコルを設計すること。
• 修正版PBFTとFROST閾値署名を基盤として、現代的で安全かつスケーラブルなデジタル決済システムまたはCBDCとしての実現可能性を評価すること。

提案手法

• 信頼できるバリデーター連合に基づくProof-of-Authority (PoA) モデルに、BitcoinのProof-of-Workコンセンサスを置き換える。
• N人のバリデーターから成るネットワークにおいて最大F回の障害にも耐えられるように、故障耐性とByzantine耐性を確保する修正版実用的Byzantine Fault Tolerance (PBFT) プロトコルを統合する。
• ブロック署名の集約を安全に保ちつつ、準拠者のクォーラムの機密性を維持し、動的鍵管理を可能にする、見直し版のFlexible Round-Optimized Schnorr Threshold Signature (FROST) 方式を採用する。
• Verifiable Random Functions (VRF) を用いた暗号的ソートィションによりリーダーのローテーションを実現し、公平性を確保し、Byzantineなプライマリによる検閲を防ぐ。
• 投票権をブロックチェーン上に非代替的トークン (NFT) として表現することで、ブロックチェーンのリセットなしにバリデーター集合の動的再構成を可能にする。
• 許可型環境に特化したLightningを模した第二層の支払いチャネルネットワークを設計し、スケーラビリティとプライバシーを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可型で信頼できるバリデーター環境において、Bitcoinのコア暗号技術およびデータ構造スタックを維持しつつ、そのProof-of-Workコンセンサスメカニズムを排除することは可能か？
• RQ2 Byzantine Fault-Tolerant コンセンサスプロトコルを効率的に閾値署名と組み合わせることで、許可型ブロックチェーンにおいて安全性とパフォーマンスの両立を達成するにはどうすればよいか？
• RQ3 ブロックチェーンのリセットなしに、セキュリティを損なわずにバリデーター集合の動的再構成を実現するメカニズムは何か？
• RQ4 リーダーがローテートするBFTベースのブロックチェーンにおいて、公平性と検閲耐性をどのように達成できるか？
• RQ5 得られたシステムが、中央銀行デジタル通貨 (CBDC) のための実用的で安全かつ効率的な基盤としてどの程度適しているか？

主な発見

• 認証済みByzantineコンセンサスプロトコルにより、決定的最終性が達成され、Byzantine障害が発生しても安全かつ活性性が保証される。
• 見直し版FROST閾値署名方式の統合により、ブロック署名の安全かつ機密性を保った集約が可能になり、バリデータークォーラムのプライバシーが維持される。
• NFTを用いた投票権の表現により、バリデーター集合の動的再構成が可能になり、鍵の更新、メンバーの追加・削除がブロックチェーンのリセットなしに実現できる。
• Verifiable Random Functions (VRF) を用いたリーダーのローテーションにより、公平性が向上し、1人のByzantineプライマリによるトランザクションの検閲が防止される。
• システムはBitcoinの強固な暗号技術とデータ構造を継承しており、許可型ブロックチェーンおよびCBDCのための安全でオープンかつ拡張可能な基盤を提供する。
• PoW非対応Bitcoinの変種として、技術的実現可能性が示された。このアプローチは、Bitcoinの信頼性とオープン性を維持しつつ、規制対象で高可用性を求める金融システムに適している。