[論文レビュー] Enhancing Bitcoin Security and Performance with Strong Consistency via Collective Signing

Eleftherios Kokoris-Kogias, Philipp Jovanovic+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 44被引用数 476

ひとこと要約

ByzCoinは、強健な整合性を実現するために集団署名を用いたPBFTベースのビザンチン合意を導入し、Bitcoinに似たシステムのブロックをより速く、スケーラブルで安全に確定させます。

ABSTRACT

While showing great promise, Bitcoin requires users to wait tens of minutes for transactions to commit, and even then, offering only probabilistic guarantees. This paper introduces ByzCoin, a novel Byzantine consensus protocol that leverages scalable collective signing to commit Bitcoin transactions irreversibly within seconds. ByzCoin achieves Byzantine consensus while preserving Bitcoin's open membership by dynamically forming hash power-proportionate consensus groups that represent recently-successful block miners. ByzCoin employs communication trees to optimize transaction commitment and verification under normal operation while guaranteeing safety and liveness under Byzantine faults, up to a near-optimal tolerance of f faulty group members among 3f + 2 total. ByzCoin mitigates double spending and selfish mining attacks by producing collectively signed transaction blocks within one minute of transaction submission. Tree-structured communication further reduces this latency to less than 30 seconds. Due to these optimizations, ByzCoin achieves a throughput higher than PayPal currently handles, with a confirmation latency of 15-20 seconds.

研究の動機と目的

• 暗号資産における強い整合性の必要性を動機づけ、フォークを減らし確定性を向上させる。
• Bitcoin のオープンメンバーシップを維持しつつ PBFT 風の安全性と可用性を実現する、スケーラブルな合意設計を提案する。
• 大規模な合意グループにおける検証と通信オーバーヘッドを削減するために集団署名を統合する。
• トランザクション検証をリーダー選出から切り離してスループットを向上させ、確定レイテンシを低減する。
• ByzCoin設計の性能向上とセキュリティ特性を、プロトタイプ実験を通じて実証する。

提案手法

• PBFT を中核のビザンチン合意機構として、CoSi 集団署名を補助的に組み合わせて大規模な合意グループへスケールさせる。
• 最近成功したマイナーのウィンドウから動的な合意グループを形成し、オープンメンバーシップを維持しつつSybil攻撃に耐える。
• MACベースの認証をデジタル署名に置換して、よりまばらな通信トポロジーと O(n) 以上のメッセージ複雑度を可能にする。
• 拡張可能な集団署名（CoSi）を適用して prepare および commit フェーズを O(log n) の署名数と O(1) の検証で実装する。
• トランザクション検証（microblocks）をリーダー選出（keyblocks）から切り離してスループットを向上させ、レイテンシを低減する。
• トランザクション用の microblocks とリーダー選出用の keyblocks を持つ二重鎖アーキテクチャを導入し、効率的で不可逆的に確定したブロックを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PBFT風の強い整合性を、ビットコイン規模のオープンメンバーシップで実際的に実現できるか、ビザイティンを許容しつつセキュリティ保証を維持できるか？
• RQ2 集団署名と動的合意グループが、暗号通貨ネットワークのスループットを向上させ、確定性の時間を短縮するのか。
• RQ3 Bitcoin風システムにおいて、トランザクション検証をリーダー選出から切り離す際の性能とセキュリティのトレードオフは何か。
• RQ4 オープンな参加を維持しつつ、二重支出とセルフソンマイニングをByzCoinはどのように緩和するか。
• RQ5 現実的なブロックサイズと参加ウィンドウを用いたとき、ByzCoinで達成可能な実証的な性能向上はどの程度か。

主な発見

• 144マイナーグループのブロックに対するコンセンサスを、1MBブロックで20秒未満で実証するプロトタイプ。
• より大きな1008マイナーは8MBブロックで90秒でコンセンサスに到達。
• 32MBのmicroblockで、144参加者グループは974 TPSと68秒の確定レイテンシを処理。
• ByzCoinはBitcoinのスループットを約100倍向上させ、特定条件下で1分未満の確定レイテンシを達成。
• セキュリティ分析は、攻撃者が総ハッシュパワーの4分の1未満を支配していれば、ByzCoinがBitcoinに対する既知の攻撃を緩和できることを示している。