[論文レビュー] Homomorphic Sortition -- Secret Leader Election for PoS Blockchains

Luciano Freitas de Souza, Andrei Tonkikh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Distributed systems and fault tolerance被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非期限登録を備えた非同期な単一秘密リーダー選挙（SSLE）プロトコルとして、部分的に同期的なプルーフ・オブ・ステーク（PoS）ブロックチェーンにおける安全で効率的なリーダー選挙を可能にする、Homomorphic Sortitionを紹介する。これは、しきい値完全同型暗号（ThFHE）を活用し、再登録を必要とせず、並列かつステートレスな選挙を実現する。任意のステーク分配をサポートし、強いセキュリティ保証のもとで決定的終了を達成する。

ABSTRACT

In a single secret leader election protocol (SSLE), one of the system participants is chosen and, unless it decides to reveal itself, no other participant can identify it. SSLE has a great potential in protecting blockchain consensus protocols against denial of service (DoS) attacks. However, all existing solutions either make strong synchrony assumptions or have expiring registration, meaning that they require elected processes to re-register themselves before they can be re-elected again. This, in turn, prohibits the use of these SSLE protocols to elect leaders in partially-synchronous consensus protocols as there may be long periods of network instability when no new blocks are decided and, thus, no new registrations (or re-registrations) are possible. In this paper, we propose Homomorphic Sortition -- the first asynchronous SSLE protocol with non-expiring registration, making it the first solution compatible with partially-synchronous leader-based consensus protocols. Homomorphic Sortition relies on Threshold Fully Homomorphic Encryption (ThFHE) and is tailored to proof-of-stake (PoS) blockchains, with several important optimizations with respect to prior proposals. In particular, unlike most existing SSLE protocols, it works with arbitrary stake distributions and does not require a user with multiple coins to be registered multiple times. Our protocol is highly parallelizable and can be run completely off-chain after setup. Some blockchains require a sequence of rounds to have non-repeating leaders. We define a generalization of SSLE, called Secret Leader Permutation (SLP) in which the application can choose how many non-repeating leaders should be output in a sequence of rounds and we show how Homomorphic Sortition also solves this problem.

研究の動機と目的

• 再登録を必要とするか、同期性の仮定に依存する既存のSSLEプロトコルの限界を解消すること。
• 長時間のネットワーク遅延が再登録を困難にする部分的に同期的なコンSENSUSプロトコルと互換性を持つSSLEプロトコルを設計すること。
• 複数のコインを持つユーザーが複数回の登録を必要としない、任意のステーク分配をサポートすること。
• 高い並列性を備えた効率的な、オフチェーンでのリーダー選挙実行を可能とすること。
• SSLEを、繰り返しのないリーダーのシーケンスをサポートする秘密リーダー順列（SLP）に一般化すること。

提案手法

• プロトコルは、暗号化されたステーク上でリーダー選挙ロジックを同型的に評価できるように、しきい値完全同型暗号（ThFHE）を用いる。
• 各参加者は共有公開鍵を用いて自身のステークを暗号化し、個々のステークが露呈されないまま選挙が同型的に計算される。
• リーダーは、暗号化されたステークベクトルに対して適用される決定的かつ検証可能な関数によって選ばれ、選挙終了後にのみ出力が復号化される。
• プロトコルは非期限登録をサポートする：選ばれた参加者は再登録を必要とせず、ラウンドにわたり長期的な参加が可能になる。
• システムは非常に並列化可能であり、初期設定フェーズを経て、完全にオフチェーンで実行可能である。
• 繰り返しのないリーダーの制約を課した複数の独立した選挙を合成することで、秘密リーダー順列（SLP）への一般化が達成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 選挙後に再登録を必要としない非同期システムで動作する秘密リーダー選挙プロトコルを設計できるか？
• RQ2 ユーザーが複数のコインを保有している場合でも、複数回の登録を必要とせずに、任意のステーク分配をサポートできるか？
• RQ3 ThFHEを効率的に応用して、スケーラブルでオフチェーンのSSLEプロトコルをPoSブロックチェーンに構築できるか？
• RQ4 SSLEを、繰り返しのないリーダーのシーケンス（SLP）を安全かつ効率的にサポートする形に拡張できるか？
• RQ5 実際のブロックチェーン環境においてThFHEを使用する際のパフォーマンスとセキュリティのトレードオフは何か？

主な発見

• Homomorphic Sortitionは、非期限登録を備えた非同期SSLEプロトコルとして、部分的に同期的なコンSENSUSプロトコルと互換性を持つ最初のプロトコルである。
• ユーザーが複数のコインを保有していても、複数回の登録を必要とせず、任意のステーク分配をサポートする。
• 選挙の完全なオフチェーン実行が可能であり、高い並列性を備え、選ばれたリーダーによる状態の維持が不要である。
• 決定的終了を達成し、敵対的ステークが有界であるという仮定のもとで、強いセキュリティ保証を提供する。
• 著者らは、アプローチが秘密リーダー順列（SLP）に自然に一般化でき、繰り返しのないリーダーのシーケンスをサポートできることを示している。
• パフォーマンス評価は継続中だが、最新のThFHEプロトコルおよびSIMDフレンドリーな算術回路を効果的に活用する設計がなされている。