[論文レビュー] Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities

Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 25被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、不正な大多数を伴うブロックチェーンにおいても、ライトクライアントがほぼフルノードのセキュリティを達成できるようにする、画期的な不正検出およびデータ可用性証明システムを提示する。誠実なフルノードからの不正証明と確率的データ可用性サンプリングを組み合わせることで、誠実な大多数の仮定を排除し、シャーディングや高スルーレートのブロックチェーンシステムにおけるスケーラビリティとセキュリティを顕著に向上させる。

ABSTRACT

Light clients, also known as Simple Payment Verification (SPV) clients, are nodes which only download a small portion of the data in a blockchain, and use indirect means to verify that a given chain is valid. Typically, instead of validating block data, they assume that the chain favoured by the blockchain's consensus algorithm only contains valid blocks, and that the majority of block producers are honest. By allowing such clients to receive fraud proofs generated by fully validating nodes that show that a block violates the protocol rules, and combining this with probabilistic sampling techniques to verify that all of the data in a block actually is available to be downloaded, we can eliminate the honest-majority assumption, and instead make much weaker assumptions about a minimum number of honest nodes that rebroadcast data. Fraud and data availability proofs are key to enabling on-chain scaling of blockchains (e.g. via sharding or bigger blocks) while maintaining a strong assurance that on-chain data is available and valid. We present, implement, and evaluate a novel fraud and data availability proof system.

研究の動機と目的

• 合意参加者の大多数が不正である可能性があるブロックチェーンにおけるライトクライアントのセキュリティ制限を解決すること。
• 誠実な大多数の仮定を排除し、ライトクライアントが誠実なフルノードからの不正証明を検証できるようにすることで、ブロック正当性のための誠実な大多数仮定をなくすこと。
• 確率的サンプリングとエラー訂正符号を用いて、最小限の誠実なライトクライアントが欠落データを再構築できるようにすることで、データ可用性を保証すること。
• 単一のノードがすべてのデータを検証しないシャーディングのようなスケーラブルなブロックチェーン設計をサポートすること。
• 実装可能で包括的なフレームワークを提供し、不正証明とデータ可用性証明を統合して実用的導入を可能とすること。

提案手法

• エラー訂正符号を用いてブロックデータをセグメントに符号化し、高い信頼性で確率的サンプリングによりデータ可用性を検証できるようにする。
• 誠実なフルノードが不正ブロックの無効性証明を生成する不正証明システムを実装し、ライトクライアントがこれを検証できるようにする。
• 符号化されたデータのMerkleルートを、多次元Reed-Solomon符号におけるランダムなライン選択のエントロピー源として用いる。
• ライトクライアントが少量のサンプルポイントを用いて、データの正しさを確率的に検証できる「近接性証明」メカニズムを設計する。
• 不正証明とデータ可用性証明を統合し、オンチェーンデータの正当性と可用性の両方を保証する。
• 高速フーリエ変換を用いて、O(n log n)時間でエラー訂正符号を効率的に構築し、大規模ブロックチェーンへの実用的導入を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不正な大多数が存在する状況下でも、ライトクライアントが不正な大多数が存在する状況下でも、ほぼフルノードのセキュリティ保証を達成できるか？
• RQ2 完全なダウンロードを必要とせず、確率的サンプリングと暗号的証明のみを用いて、データ可用性をどのように検証できるか？
• RQ3 ブロック無効性のための複数のケース特化証明を置き換える、一様な汎用不正証明メカニズムは可能か？
• RQ4 ライトクライアントモデルにおけるセキュリティを維持するために必要な誠実ノードに関する最小限の仮定は何か？
• RQ5 シャーディングブロックチェーンシステムにおいて、不正証明と可用性証明の効率とスケーラビリティをどのように最適化できるか？

主な発見

• 提案されたシステムは、少なくとも1つの誠実なフルノードが存在する限り、不正なブロック生産者が多い状況下でも、ライトクライアントが不正証明を通じて不正ブロックを検出可能である。
• エラー訂正符号のセグメントを確率的サンプリングすることでデータ可用性が保証され、再構築に貢献する誠実なライトクライアントの数に基づいたセキュリティ保証が得られる。
• 多次元Reed-Solomon符号の使用により、効率的なローカルデコードと近接性証明検証が可能となり、高価な計算に依存する必要が大幅に削減される。
• 高速フーリエ変換を用いることで、エラー訂正符号の構築がO(n log n)時間で実現され、大規模ブロックチェーンにおいて実用的である。
• ライトクライアントによる完全なデータ可用性チェックの必要性が排除され、帯域幅とストレージ要件が削減されつつも、強力なセキュリティが維持される。
• フレームワークはシャーディングと互換性があり、無効または不可用なデータがライトクライアントによって検出・拒否可能であることを保証することで、オンチェーンスケーリングを支援する。