[論文レビュー] ABC: Proof-of-Stake without Consensus

Jakub Śliwiński, Roger Wattenhofer|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

ABCは、プルーフ・オブ・ワークおよびコンSENSUSを置き換える決定論的で証明可能なステーキングメカニズムを採用した、許可なしで非同期的なブロックチェーンプロトコルを導入している。これにより、即時最終性と並列トランザクション処理が可能となる。完全なコンセンサスを緩和することで、基本的な暗号通貨機能に限定することで、ランダムネスや同期通信に依存せずに、高い効率性、最終性、レジリエンスを実現する。

ABSTRACT

We introduce a new permissionless blockchain architecture called ABC. ABC is completely asynchronous, and does rely on neither randomness nor proof-of-work. ABC can be parallelized, and transactions have finality within one round trip of communication. However, ABC satisfies only a relaxed form of consensus by introducing a weaker termination property. Without full consensus, ABC cannot support certain applications, in particular ABC cannot support general smart contracts. However, many important applications do not need general smart contracts, and ABC is a better solution for these applications. In particular, ABC can implement the functionality of a cryptocurrency like Bitcoin, replacing Bitcoin's energy-hungry proof-of-work with a proof-of-stake validation.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワークや完全なコンセンサスを排除しつつも、暗号通貨のユースケースにおいてもセキュリティと最終性を維持するブロックチェーンシステムの設計。
• ランダムネス、同期通信、エネルギー集約的なマイニングに依存せずに、許可なしの参加を可能にする。
• 通信の1ラウンドトリップで決定論的かつ検証可能な結果を得ることで、トランザクションの最終性を即時的に達成する。
• 非同期ネットワーク環境下でも、スケーラブルかつ並列なトランザクション処理を可能にする。
• 一般スマートコントラクトを必要としないアプリケーション向けに、従来のプルーフ・オブ・ステーキングおよびコンセンサスベースのブロックチェーンよりも単純で効率的な代替手段を提供する。

提案手法

• バリデーターはトークン保有量に応じて選出されるプルーフ・オブ・ステーキングメカニズムを採用しており、2/3以上が誠実であればセキュリティが保証される。
• プロトコルは非同期ネットワークモデルで動作し、メッセージ遅延、ネットワーク分割、エクリプス攻撃に対してもレジリエントである。
• トランザクションはバリデーターによって並列処理され、この並列性のおかげでスループットに本質的な上限がない。
• トランザクションがブロックに含まれ、過半数以上のバリデーターによって検証されると、即座に最終性が達成され、時間経過による確信度の上昇は存在しない。
• デジタル署名やハッシュ関数といった暗号プリミティブを用いて真正性と整合性を保証するが、プロトコル自体は完全に決定論的である。
• デリゲーションがサポートされており、トークン保有者が自身のトークンの所有権を保ちつつ、バリデーションの責任を他の者に任せることが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プルーフ・オブ・ワークや完全なコンセンサスなしで、最終性とセキュリティを達成できるブロックチェーンシステムは可能か？
• RQ2 完全な非同期性を満たし、ランダムネスや同期仮定に依存しない許可なしのブロックチェーンを設計することは可能か？
• RQ3 ブロックチェーンシステムにおいて、一貫性と最終性を保ちながら、トランザクション処理を完全に並列化できるか？
• RQ4 一般スマートコントラクトを必要としない状況で、基本的な暗号通貨機能をサポートするための最小限の要件は何か？
• RQ5 コンセンサスを緩和することで、ブロックチェーンシステムのセキュリティ、効率性、適用範囲にどのような影響が生じるか？

主な発見

• ABCは通信の1ラウンドトリップでトランザクションの最終性を達成し、ビットコインの確率的承認モデルを排除する。
• ネットワークがメッセージを最終的に届ける限り、プロトコルは完全に非同期的であり、メッセージ遅延やエクリプス攻撃といったネットワークレベルの攻撃に対してもレジリエントである。
• ABCは並列トランザクション処理をサポートしており、順次検証によるボトルネックが存在しないため、高いスループットを実現できる。
• システムは決定論的であり、リーダー選出やブロック作成におけるランダムネスに依存しないため、実装や検証が簡素化される。
• セキュリティは、全ステークの2/3以上が誠実な参加者に属するという仮定の下で維持され、他のプルーフ・オブ・ステーキングプロトコルと同様の性質を有する。
• ABCは一般スマートコントラクトをサポートできないが、決済や送金といった基本的な暗号通貨機能には非常に適している。