[論文レビュー] Fraud 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 22被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、誠実な多数派の仮定を、誠実なデータ再ブロードキャストに関するより弱い仮定に置き換えることで、ブロックチェーンにおけるライトクライントのセキュリティを強化する、新しい不正検出およびデータ可用性証明システムを提案する。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、シャーディングや大きなブロックを用いたオンチェーンスケーリングを安全に実現し、信頼性の高い多数の誠実なブロックプロデューサーに依存せずに、データの完全性と正当性を保証する。

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

• 現在のSPV設計における深刻な脆弱性である、誠実な多数派に依存しないライトクライントの設計を実現すること。
• 不正証明を通じたオンチェーンでのデータ可用性および正当性検証を可能にすることで、ブロックチェーンにおけるセキュリティとスケーラビリティを向上させること。
• 誠実なブロックプロデューサーの多数に依存するのではなく、最小限の数の誠実なノードがデータを再ブロードキャストすることを要件とすることで、ライトクライントの信頼仮定を低減すること。
• シャーディングや大きなブロックを用いたオンチェーンスケーリングを安全に実現するために、検証可能な証明を通じてデータの可用性と正しさを保証すること。

提案手法

• 完全に検証するノードが、ブロックがプロトコルルールに違反していることを示す証明を生成し、ライトクライントがその証明を検証できる不正証明システムの設計。
• ブロック内のすべてのデータがダウンロード可能であることを検証するために確率的サンプリング技術を統合し、完全な取得なしにデータ可用性を保証する。
• 従来の誠実な多数派の仮定を、最小限の数のノードが誠実でかつデータを積極的に再ブロードキャストするというより弱い仮定に置き換える。
• 不正証明とデータ可用性証明を組み合わせることで、不正な多数派の条件下でも強固なセキュリティ保証を提供する。
• 性能とセキュリティのトレードオフを測定するために、実世界のブロックチェーン環境でシステムを実装および評価する。
• ライトクライントが効率的に検証できる短い証明を実現するために暗号技術を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不正証明とデータ可用性証明を組み合わせることで、ライトクライント検証における誠実な多数派の仮定を完全に排除できるか？
• RQ2 確率的サンプリングをどのように活用すれば、ブロック全体をダウンロードせずに効率的にデータ可用性を検証できるか？
• RQ3 ライトクライントモデルにおけるセキュリティを保証するために必要な、誠実なノードに関する最小限の仮定は何か？
• RQ4 このシステムは、シャーディングや大きなブロックを用いたオンチェーンスケーリングを安全にサポートできるか、強固なセキュリティ保証を維持できるか？

主な発見

• 提案されたシステムは、誠実な多数派の仮定を、データを再ブロードキャストする最小限の数の誠実なノードを要件とするより弱い要件に成功して置き換えた。
• 確率的データ可用性サンプリングにより、最小限の帯域幅で高信頼性のブロックデータの可用性検証が可能になった。
• 不正証明により、ブロックプロデューサーの大多数が不正であっても、ライトクライントが無効なブロックを検出し拒否できる。
• 検証可能な証明を通じてデータの可用性と正当性を保証することにより、シャーディングや大きなブロックを用いたオンチェーンスケーリングを安全に実現できる。
• ブロックチェーンのライトクライントにおける信頼仮定を大幅に低減しながら、強固なセキュリティ保証を維持した。
• 実装は、実世界のブロックチェーン環境において実用的で効率的であることが示された。