[論文レビュー] Consensus for Crosschain Communications

Peter Robinson|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、各チェーンのネイティブな特性を保ったまま、ブロックチェーン間で安全で信頼最小限の通信を可能にするクロスチェーン合意形成メカニズムを提案する。ハッシュタイムロックドコントラクト（HTLC）、ブロックヘッダーリレーリング、レレイチェーン（Polkadot、Cosmos）、しきい値ベースの協調方式といった技術を評価し、許可なしまたは許可ありブロックチェーンの保証を損なわずに合意形成が達成できる仕組みを示している。

ABSTRACT

Crosschain communications allows information to be communicated between blockchains. Consensus, in the context of crosschain communications, relates to how participants are able to agree on the state of one blockchain and communicate that information to another blockchain such that the information is trusted. This chapter reviews the usage scenarios of crosschain communications: value transfer and atomic swaps, reading, writing, and state pinning. It analyses what attributes must be maintained for permissionless and permissioned blockchains using a crosschain consensus mechanism such that the properties of each blockchain are not compromised. Finally, this chapter reviews the main categories of crosschain communications techniques: Hash Time Locked Contracts, block header relaying (BTC Relay, Pegged Sidechains and Ion), relay chains (Polkadot and Cosmos), and coordination chains with threshold schemes (Atomic Crosschain Transaction).

研究の動機と目的

• 許可なしおよび許可ありブロックチェーンの両方のセキュリティおよび運用特性を保ったまま、クロスチェーン通信における合意形成の要件を分析すること。
• 既存のクロスチェーン通信技術を評価し、ブロックチェーン固有の保証を維持するうえでの長所と短所を同定すること。
• 異種ブロックチェーン間で信頼最小限の合意形成と状態の一貫性を保証するフレームワークを提言すること。
• 異なる合意形成メカニズムがクロスチェーン取引の整合性および最終性に与える影響を検討すること。
• さまざまな合意形成モデル下で、アトミックスワップ、状態ピン留め、およびブロックチェーン間のデータ読み書きの実現可能性を評価すること。

提案手法

• クロスチェーン通信技術を4つの主要なファミリーに分類する：ハッシュタイムロックドコントラクト（HTLC）、ブロックヘッダーリレーリング（例：BTC Relay、Pegged Sidechains、Ion）、レレイチェーン（例：Polkadot、Cosmos）、およびしきい値暗号を用いた協調チェーン。
• 各技術の合意形成モデル、信頼仮定、最終性特性を分析し、ブロックチェーン固有の特性との適合性を評価する。
• 分散性、最終性、信頼のトレードオフを評価し、合意形成メカニズムがブロックチェーンの整合性をどのように維持するかに焦点を当てる。
• しきい値署名やハッシュロックといった暗号プリミティブが、安全なクロスチェーン取引を可能にする役割を検討する。
• 合意形成設計が状態同期（状態ピン留め、データ可用性など）に与える影響を評価する。
• 異なる脅威モデルおよびネットワーク状態下での各アプローチのスケーラビリティおよびセキュリティ特性を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のブロックチェーンのセキュリティまたは最終性保証を損なわず、クロスチェーン合意形成をどのように達成できるか？
• RQ2 異なるクロスチェーン通信技術に内在する信頼仮定とトレードオフは何か？
• RQ3 レレイチェーンとしきい値方式を用いた協調チェーンは、従来のHTLCやヘッダーリレーリングに比べてどのように改善されているか？
• RQ4 許可なしブロックチェーンと許可ありブロックチェーンは、クロスチェーン合意形成メカニズムにおいて、どのような点で要件が異なるか？
• RQ5 あるブロックチェーンでの状態更新が、別のブロックチェーンで暗号的に検証可能かつ最終的であることを保証するメカニズムは何か？

主な発見

• HTLCは強力な最終性を備えたアトミックスワップを可能にするが、単純な価値移転に限定され、事前に共有された秘密が必要である。
• BTC Relay や Pegged Sidechains などのブロックヘッダーリレーリング技術はクロスチェーン検証を可能にするが、誠実な多数派の仮定に依存し、遅延を引き起こす可能性がある。
• Polkadot や Cosmos などのレレイチェーンは、共通の合意形成を用いることで、スケーラブルでモジュール式のクロスチェーン通信を提供し、強力な最終性保証を実現する。
• しきい値暗号を用いた協調チェーンは信頼最小限の協調を可能にし、個々のバリデーターへの依存を減らし、故障耐性を向上させる。
• 各クロスチェーン技術が、元のブロックチェーンのコア特性を保つのは、その合意形成モデルがターゲットチェーンのセキュリティ仮定と整合している場合に限る。
• 合意形成メカニズムの選択は、信頼モデル、最終性時間、およびシビル攻撃やエクリプス攻撃に対する耐性に顕著な影響を与える。