[論文レビュー] GHAST: Breaking Confirmation Delay Barrier in Nakamoto Consensus via Adaptive Weighted Blocks

Chenxing Li, Fan Long+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

GHASTは、適応的ブロック重み付けを用いた木構造DAGを採用することで、Nakamoto型コンセンサスにおける確認遅延を著しく低減する画期的なブロックチェーンコンセンサスプロトコルである。同時にブロック生成を可能にし、重み付きブロック選択を活用することで、同一条件下で99％の信頼性で確認をO(d·log(1/ε))時間で達成する。これは、Bitcoinの6ブロック確認に比べ30倍速く、計算能力が50％未塔の敵対的攻撃に対しても安全を維持する。

ABSTRACT

Initiated from Nakamoto's Bitcoin system, blockchain technology has demonstrated great capability of building secure consensus among decentralized parties at Internet-scale, i.e., without relying on any centralized trusted party. Nowadays, blockchain systems find applications in various fields. But the performance is increasingly becoming a bottleneck, especially when permissionless participation is retained for full decentralization. In this work, we present a new consensus protocol named GHAST (Greedy Heaviest Adaptive Sub-Tree) which organizes blocks in a Tree-Graph structure (i.e., a directed acyclic graph (DAG) with a tree embedded) that allows fast and concurrent block generation. GHAST protocol simultaneously achieves a logarithmically bounded liveness guarantee and low confirmation latency. More specifically, for maximum latency $d$ and adversarial computing power bounded away from 50\%, GHAST guarantees confirmation with confidence $\ge 1-\varepsilon$ after a time period of $O(d\cdot \log(1/\varepsilon))$. When there is no observable attack, GHAST only needs $3d$ time to achieve confirmation at the same confidence level as six-block-confirmation in Bitcoin, while it takes roughly $360d$ in Bitcoin.

研究の動機と目的

• 分散化を維持しつつスケーラビリティに制限をもたらすNakamotoコンセンサスにおける高い確認遅延のボトル neck を解消すること。
• 許可なしで分散化された環境において、セキュリティやライブネスを損なわず、高速かつ並列なブロック生成を可能にすること。
• 制限された計算能力を持つ敵対的状況下でも、強力なセキュリティ保証を維持するコンセンサスメカニズムを設計すること。
• BitcoinのNakamotoコンセンサスのような従来の最長チェーンプロトコルに内在する確認遅延の障壁を打ち破ること。
• ネットワーク遅延dに比例して効率的にスケーラブルな、証明可能に安全で高スループットのコンセンサスプロトコルを提供すること。

提案手法

• GHASTは、各ブロックが複数の親ブロックを参照することで、木構造DAG（Tree-Graph）にブロックを整理し、並列なブロック作成と効率的な伝搬を可能にする。
• ブロックの潜在的価値と深さに基づく適応的ブロック重み付けを導入し、最終的なメインチェーンに含まれる可能性がより高いブロックを優遇する。
• 敵対的状況下でもライブネスとセキュリティを保証するため、重みの最も高い部分木（GHAST）を貪欲に選択する。
• ブロックbが最終チェーンに含まれる可能性を測るブロック潜在関数P(S, b)を定義し、誠実なブロックと悪意あるブロックの両方を考慮する。
• マルティングール濃度不等式とChernoff型不等式を用いた厳密なセキュリティ分析により、悪意あるブロックの含まれる確率を上限付ける。
• 適応的攻撃戦略下でも、基準点からd時間以内に生成されたブロックは、O(d·log(1/ε))時間後に高い確率で確認されることが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 許可なしで分散化されたネットワークにおいて、セキュリティやライブネスを損なわず、低遅延の確認遅延を達成できるブロックチェーンコンセンサスプロトコルは実現可能か？
• RQ2 ブロック伝搬遅延dをどのように活用することで、50％攻撃に耐性を保ちつつ確認時間を短縮できるか？
• RQ3 適応的ブロック重み付けを用いたDAGベースの構造は、従来の最長チェーンプロトコルに比べ、確認速度とスループットの面で優位性を示せるか？
• RQ4 制限された敵対的計算能力下で、安全で並列処理可能なコンセンサスプロトコルの理論的確認時間上限は何か？
• RQ5 セキュリティ保証を維持したまま、確認遅延をO(1/ε)からO(log(1/ε))に短縮できるか？

主な発見

• GHASTは、dが最大ブロック伝搬遅延であるとして、O(d·log(1/ε))時間後に信頼度≥1−εで確認を保証する。
• 攻撃が存在しない状況では、GHASTは3d時間で確認を達成し、Bitcoinの6ブロック確認（約360d時間）と同等の信頼度を達成する。
• 敵対的計算能力が50％から離れている限り、GHASTは対数的確認遅延を維持しながらライブネスを保証する。
• ブロック潜在関数P(S, b)は、η_w + SubTW(B_gen ∩ M, b)によって上限付けられ、悪意あるブロックの影響が制限される。
• 例外確率εの下で、基準点からd時間以内に生成されたいかなるブロックも、ブロック潜在値が4λ·max{140/δ²·log(9000/(εδ²)), 8(η_b+4)/δ}を超えることはないことが解析で示された。
• 同等のセキュリティおよびネットワーク条件下で、GHASTはBitcoinに比べ30倍の確認速度向上を達成する。