[論文レビュー] Algorand

Bezerra, João Paulo, Anikina, Veronika+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 7

ひとこと要約

Algorandは、検証者の選定におけるアルゴリズム的ランダムネスを用いることで、計算コストの高いプルーフ・オブ・ワークを不要にし、高い効率性と強い整合性を達成する、ビザンチン合意に基づくパブリックレジスタプロトコルを提案する。フォークの確率は10^18分の1未満に抑えられ、最小限の計算オーバーヘッドでスケーラブルで、民主的かつ安全なブロックチェーンの代替手段を提供する。

ABSTRACT

A public ledger is a tamperproof sequence of data that can be read and augmented by everyone. Public ledgers have innumerable and compelling uses. They can secure, in plain sight, all kinds of transactions ---such as titles, sales, and payments--- in the exact order in which they occur. Public ledgers not only curb corruption, but also enable very sophisticated applications ---such as cryptocurrencies and smart contracts. They stand to revolutionize the way a democratic society operates. As currently implemented, however, they scale poorly and cannot achieve their potential. Algorand is a truly democratic and efficient way to implement a public ledger. Unlike prior implementations based on proof of work, it requires a negligible amount of computation, and generates a transaction history that will not "fork" with overwhelmingly high probability. Algorand is based on (a novel and super fast) message-passing Byzantine agreement. For concreteness, we shall describe Algorand only as a money platform.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワークシステムの計算的浪費と中央集権的リスクを回避しつつ、極めて効率的かつ暗号的に安全なパブリックレジスタシステムを設計すること。
• 改ざん不能で整合性のある取引履歴を実現し、フォークの確率をほぼ無視できる程度に抑えること（例：10^18分の1）。
• マイナーのような階層的役割を排除し、すべてのユーザーがブロック検証において同等の影響を持つことで、合意形成における真の民主主義を確保すること。
• 高スルーレットと低レイテンシを要するアプリケーションに適した、既存のブロックチェーンアーキテクチャの代替手段として、スケーラブルかつ実用的な代替手段を提供すること。
• 検証可能性、公平性、操作への耐性を確保することで、分散合意形成における法的・政治的懸念を解決すること。

提案手法

• レジスタの次のブロックに関する合意に到達するために、新規で高速なメッセージ伝達型ビザンチン合意プロトコルを用いる。
• すべてのユーザーから確率的に検証者を選び出すアルゴリズム的ランダムネスを採用し、最終刻まで予測不能性と操作への耐性を確保する。
• レジスタの現在の状態に基づいて検証者を選び出すことで、選定が公平かつ暗号的に安全であることを保証する。
• 各ラウンドでは複数のステップを経て検証者が次のブロックに賛成票を投じる。合意はtHの署名が集まった時点で達成される。
• スルーレットの向上とレイテンシの低減を図るため、パイプライン処理メカニズムを導入し、スケーラビリティを向上させる。
• チェルノフの不等式と確率的解析を用いて、ネットワークの分割や悪意ある行動下でもフォークが発生するのは無視できる確率に限られることを形式的に証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビザンチン合意に基づくパブリックレジスタを構築できるか。その場合、プルーフ・オブ・ワークに依存せずに、高い効率性と強い整合性を達成できるか。
• RQ2 検証者の選定を、予測不能かつ公平に保つ方法は何か。これにより、特定のユーザーまたはグループが選定プロセスを操作できないようにする。
• RQ3 悪意あるネットワーク条件下で、レジスタのフォークが発生する最大確率は何か。これを無視できる程度（例：10^-18）に抑えることができるか。
• RQ4 分散型システムが、信頼できる中央集権的機関と同等のセキュリティと性能を実現しながら、分散性を損なわないか。
• RQ5 ネットワークの分割が発生した場合、プロトコルはどのように振る舞うか。永続的なフォークや曖昧な状態を防げるか。

主な発見

• Algorandプロトコルは、レジスタのフォーク確率が10^18分の1未満であることを保証しており、通常の条件下では実質的に不可能である。
• プロトコルは、計算オーバーヘッドをほぼ無視できるほど低く抑え、ビットコインのようなプルーフ・オブ・ワークシステムに伴うエネルギー浪費を排除する。
• すべてのユーザーが合意形成プロセスにおいて同等の影響を持つ。特定のユーザーまたはグループが過剰なパワーを得ることはないため、真の分散性が確保される。
• 悪意あるネットワークの分割下でも、フォークは一時的であり、1ラウンドのうちに解決され、最大で1つのブランチが十分な署名を獲得して成長するにとどまる。
• チェルノフの不等式を用いた形式的確率的解析により、各ステップにおける誠実な検証者と悪意ある検証者の合計が、同時に2つの競合ブロックを認証するのに必要な閾値を下回ることが確認された。
• 敵対的攻撃者がネットワークの大部分を制御していても、長期にわたるネットワークの分割が持続しない限り、プロトコルはセキュリティと整合性を維持する。