[論文レビュー] Don't Mine, Wait in Line: Fair and Efficient Blockchain Consensus with Robust Round Robin

Mansoor Ahmed-Rengers, Kari Kostiainen|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、Proof-of-Stakeシステムにおけるランダムリーダー選択を、身元ベースのリーダーに対する決定論的ラウンドロビン選択に置き換える、公平かつ効率的なブロックチェーンコンセンサスプロトコル「Robust Round Robin」を提案する。長期間にわたる身元（例：Intel SGXなどの信頼実行環境を介して、またはマイニングによる初期公平配布を通じて）を活用し、軽量なエンダースメントプロトコルと組み合わせることで、分散型乱数生成の偏りや非効率性を回避しつつ、公平性と低通信オーバーヘッドを確保する。

ABSTRACT

Proof-of-Stake systems randomly choose, on each round, one of the participants as a consensus leader that extends the chain with the next block such that the selection probability is proportional to the owned stake. However, distributed random number generation is notoriously difficult. Systems that derive randomness from the previous blocks are completely insecure; solutions that provide secure random selection are inefficient due to their high communication complexity; and approaches that balance security and performance exhibit selection bias. When block creation is rewarded with new stake, even a minor bias can have a severe cumulative effect. In this paper, we propose Robust Round Robin, a new consensus scheme that addresses this selection problem. We create reliable long-term identities by bootstrapping from an existing infrastructure, such as Intel's SGX processors, or by mining them starting from an initial fair distribution. For leader selection we use a deterministic approach. On each round, we select a set of the previously created identities as consensus leader candidates in round robin manner. Because simple round-robin alone is vulnerable to attacks and offers poor liveness, we complement such deterministic selection policy with a lightweight endorsement mechanism that is an interactive protocol between the leader candidates and a small subset of other system participants. Our solution has low good efficiency as it requires no expensive distributed randomness generation and it provides block creation fairness which is crucial in deployments that reward it with new stake.

研究の動機と目的

• 分散型乱数生成に依存する既存のProof-of-Stakeコンセンサスメカニズムの公平性と効率性の制限を解決すること。
• 長期的に見て不均衡な報酬蓄積を引き起こす可能性があるステークベースのリーダー選択における選択バイアスを軽減すること。
• 通信複雑性が高く、セキュリティ脆弱性を有する既存の乱数プロトコルを避ける、ランダムリーダー選択の実用的代替案を提供すること。
• 身元ベースのリーダーに対する決定論的ラウンドロビン選択を用いて、ブロック作成報酬の公平性を確保すること。
• 軽量なエンダースメントメカニズムと身元の責任追及を通じて、DoS攻撃や不正行動に対して耐性を持つシステムを設計すること。

提案手法

• 信頼実行環境（例：Intel SGX）や初期公平配布からのマイニングを用いて、信頼性の高い長期間にわたる身元を確立する。
• 各身元に、登録時または前回の成功したブロック作成以降のラウンド数に基づく「年齢」を割り当てる。
• 年齢が大きい順に身元をキューに並べ、ラウンドロビン方式で次のリーダー候補を決定する。
• 成功したブロック作成後、選択されたリーダーの年齢をゼロにリセットし、キューの末尾に移動させる。
• 決定論的選択に加え、少数の参加者による軽量なインタラクティブエンダースメントプロトコルを導入し、ライブネスの確保と不正行動の検出を図る。
• 各参加者のステークを、その参加者が管理する身元の数に制限することで、Sybil攻撃を防止し、影響力の割合的対応を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Proof-of-Stakeブロックチェーンにおける決定論的リーダー選択は、複雑な分散型乱数生成に依存せずに公平性を達成できるか？
• RQ2 ブロック報酬がステークに比例して配分される場合、決定論的選択はランダム選択と比べてどれほどバイアスが蓄積されるか？
• RQ3 決定論的選択は、システムのライブネスおよび拒否サービス（DoS）攻撃に対する耐性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 軽量なエンダースメントプロトコルは、決定論的コンセンサスモデルにおいて、ライブネスの確保と不正行動の検出を効果的に行えるか？
• RQ5 異なる身元ブートストラップメカニズム（例：SGXベース対マイニングベース）は、長期的に見て分散化と公平性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• Robust Round Robinは、リーダー選択におけるバイアスを完全に排除し、たとえわずかなステークであっても、敵対者が不均衡な報酬を蓄積できることを防ぐ。Algorandのようなシステムでは33％のステークで36％の報酬シェアを獲得するが、スケーリングすると70％以上に達するのに対し、本プロトコルではそのような不均衡が生じない。
• 分散型乱数生成を回避することで高い効率性を達成し、VRFやDKGベースの手法と比較して通信および計算オーバーヘッドが著しく低い。
• 決定論的ラウンドロビンリーダー選択の導入により、各身元がブロック作成の機会を予測可能かつ公平に得られることで、ステーク分配における長期的公平性が向上する。
• 軽量なエンダースメントメカニズムは、決定論的選択モデルであっても、ライブネス障害の防止と不正行動の検出に効果的に機能し、システムの可用性とセキュリティを維持する。
• 身元が初期公平配布からのマイニングによって生成されても、本スキームは依然として安全かつ公平であり、信頼ハードウェアに依存せずに完全に分散化された展開が可能である。
• SGXベースの展開では、低コストまたは中古プロセッサによる悪用を防ぐために、新規または未登録のハードウェアに限定して登録を許可することで、不正な優位性のリスクを低減する。