[論文レビュー] Babylon: Reusing Bitcoin Mining to Enhance Proof-of-Stake Security

Ertem Nusret Tas, David Tse+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

Babylonは、証明書の信頼性を高めるために、既存のBitcoinのPoWマイニングパワーを再利用することで、PoSブロックチェーンに、特に差押しが可能なセーフティとライブネスを提供する画期的なブロックチェーンアーキテクチャを提案する。PoSチェーンがマージマイニング可能なBitcoin互換チェーン上で、チェックポイントのタイムスタンピング、詐欺証明、検閲苦情を可能にすることで、追加のエネルギーコストをゼロに抑えつつ、長距離攻撃、検閲、ブートストラップ課題といった根本的なPoSセキュリティ問題を解決する。

ABSTRACT

Bitcoin is the most secure blockchain in the world, supported by the immense hash power of its Proof-of-Work miners, but consumes huge amount of energy. Proof-of-Stake chains are energy-efficient, have fast finality and accountability, but face several fundamental security issues: susceptibility to non-slashable long-range safety attacks, non-slashable transaction censorship and stalling attacks and difficulty to bootstrap new PoS chains from low token valuation. We propose Babylon, a blockchain platform which combines the best of both worlds by reusing the immense Bitcoin hash power to enhance the security of PoS chains. Babylon provides a data-available timestamping service, securing PoS chains by allowing them to timestamp data-available block checkpoints, fraud proofs and censored transactions on Babylon. Babylon miners merge mine with Bitcoin and thus the platform has zero additional energy cost. The security of a Babylon-enhanced PoS protocol is formalized by a cryptoeconomic security theorem which shows slashable safety and liveness guarantees.

研究の動機と目的

• Proof-of-Stake (PoS)ブロックチェーンにおける深刻なセキュリティ制限、特に差押しができない長距離攻撃、検閲、および停止攻撃を解決すること。
• ネイティブトークンの評価が低いPoSチェーンにおけるブートストラップ問題を、暗号経済的セキュリティをネイティブトークンの評価から分離することで解決すること。
• 外部のBitcoinベースの信頼を利用することで、信頼最小限の暗号経済的セキュリティモデルをPoSプロトコルに提供すること。
• Bitcoin互換チェーン上のマージマイニングタイムスタンピングサービスを通じて、PoSチェーンの整合性をゼロコストでエネルギー効率よく検証すること。

提案手法

• Babylonは、Bitcoinとマージマイニングされる新しいPoWチェーンを導入し、追加のエネルギーコストをかけずに既存のハッシュパワーを再利用する。
• PoSチェーンは、データ利用可能チェックポイント、詐欺証明、検閲苦情をBabylonに提出し、タイムスタンピングと検証を受ける。
• システムは、差押しが可能なセーフティとライブネスを形式的に定式化する暗号経済的セキュリティ定理を用いる。これにより、検閲や不正な行動に対して検証者が罰せられることを保証する。
• 検閲および停止攻撃は、Babylon上で構造化された証拠を用いて検出される。検閲やブロック提案が適切なタイミングで行われない場合、検証者が差し押さえられる。
• チェックポイントの最終確定を保証し、リプレイ攻撃を防ぐために、$2k_c$-ブロックの遅延を採用する。
• Tendermint風の合意形成ラウンドを、Babylonチェーンの$k_w/2$-深さのプレフィックス証拠を用いてエミュレートし、停止状態を検出し、それに応じて対処する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoSブロックチェーンは、誠実なステーク過半数や外部の社会的合意に依存せずに、差押しが可能なセーフティを達成できるか？
• RQ2 PoSのための暗号経済的セキュリティモデルを構築可能か。その際、セーフティおよびライブネス違反に対して責任を問える仕組みを備えているか？
• RQ3 Bitcoinの既存のマイニングパワーを再利用することで、追加のエネルギーコストをかけずにPoSチェーンを保護できるか？
• RQ4 安全で外部のタイムスタンピングレイヤーを用いて、PoSチェーンにおける検閲および停止攻撃を検出し、処罰できるか？
• RQ5 初期段階でのトークン評価が低い状態でも、安全で高価値なPoSアプリケーションをブートストラップするために必要な最小限の信頼仮定は何か？

主な発見

• Babylonは、マージマイニングを通じてBitcoinのハッシュパワーを再利用することで、PoSチェーンに差押しが可能なセーフティとライブネスを提供し、追加のエネルギーコストをゼロに抑える。
• プロトコルは、検証者がプロトコル違反（長距離攻撃、検閲など）に対して罰せられることを保証する暗号経済的セキュリティ定理を形式化している。
• 検閲苦情は、苦情対象の取引が正当で、正規のPoSチェーンに存在しないことを確認することで検証され、該当する場合に差し押さえが発動する。
• 停止攻撃は、$k_c$-ブロックウィンドウ内で、ブロック提案や投票が欠落しているかどうかを監視することで検出され、$2f+1$未満の有効な投票が観測された場合に差し押さえが発動する。
• チェックポイントの提出から最終確定までの$2k_c$-ブロック遅延を要件とすることで、証拠が疑いのない形でアーカイブされることを防ぎ、リプレイ攻撃を防止する。
• このアーキテクチャは、セキュリティをネイティブトークンの評価から分離することで、初期市場評価が低くても高価値なアプリケーションの安全なブートストラップを可能にする。