[論文レビュー] Interactive Proof-of-stake

Alexander Chepurnoy|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 8被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、1ブロック生成を複数のブロック生成者を含む重み付きロットリーに置き換えることで、純粋なプルーフ・オブ・ステーク（PoS）共有可能プロトコル「インタラクティブ・プルーフ・オブ・ステーク（IPoS）」を提案する。可変パラメータを最小限に抑え、明示的なタイムスタンプを排除することで、Nxt や NeuCoin よりもグラインディング、プライベートフォーク、バイアス攻撃に対してより効果的に耐性を示し、プライベートおよびハイブリッドブロックチェーンにおけるセキュリティを向上させる。

ABSTRACT

The paper examines decentralized cryptocurrency protocols that are based on the use of internal tokens as identity tools. An analysis of security problems with popular Proof-of-stake consensus protocols is provided. A new protocol, Interactive Proof-of-stake, is proposed. The main ideas of the protocol are to reduce a number of variables a miner can iterate over to a minimum and also to bring a communication into block generation. The protocol is checked against known attacks. It is shown that Interactive Proof-of-stake is more secure than current pure Proof-of-stake protocols.

研究の動機と目的

• Nxt や NeuCoin などの既存のプルーフ・オブ・ステークプロトコルにおける深刻なセキュリティ脆弱性に対処すること。
• ブロック生成中に攻撃者が操作可能な変数の数を減らし、特にタイムスタンプと公開鍵を重点的に制限すること。
• 分散ネットワークにおける自己利益的マイニングやプライベートフォーク攻撃のインcentiveを最小限に抑えるプロトコルを設計すること。
• プライベートブロックチェーンおよびハイブリッドプルーフ・オブ・ワーク／プルーフ・オブ・ステークシステムに適した安全でスケーラブルな代替手段を提案すること。
• グラインディング、ナッシング・アット・ステーク、バイアス攻撃を含む既知の攻撃に対してプロトコルの耐性を評価すること。

提案手法

• 1ブロックあたり複数のステーカーがブロック生成者として選ばれる重み付きロットリー機構を導入する。
• 明示的なタイムスタンプと時間遅延を排除し、公開鍵と前回のブロックデータから導出される決定論的ブロックシードに置き換える。
• ブロックシードは、前回のブロックシードと3人のチケット生成者の公開鍵の集合のハッシュから得られる：$ g = \text{hash}(g_{\text{prev}} \cup k_{\text{pub}}) $。
• ブロック生成確率を制御する動的パラメータ $ R $ を採用し、プライベートフォークへの耐性を高めるために実行時での調整が可能である。
• ノードが最良のチェーンにのみ貢献するブロックツリー構造を実装し、複数チェーンへのマイニングを抑制する。
• 分散型投票と外部のランダムビーコン（例：プルーフ・オブ・ワークから得られるもの）を用いてチェーン選択を強制し、深いフォークを防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 攻撃者が制御可能な変数の数を減らすことで、最小限の攻撃表面を持つプルーフ・オブ・ステークプロトコルを設計できるか？
• RQ2 複数のブロック生成者を含む重み付きロットリー機構は、プライベートフォーク攻撃およびナッシング・アット・ステーク攻撃に対する耐性をどのように向上させ得るか？
• RQ3 タイムスタンプや取引パラメータではなく、公開鍵のみの反復に制限することで、グラインディング攻撃はどの程度軽減可能か？
• RQ4 プルーフ・オブ・ワークのブロックをランダムビーコンとして用いるハイブリッドプロトコルは、安全なランダムシードの生成とチェーン選択の強制に利用可能か？
• RQ5 外部の信頼に依存せずに、バイアス攻撃における共謀を抑制できるステークベースの共有可能プロトコルを設計可能か？

主な発見

• 攻撃者がオンラインステークの1/3まで制御できる場合でも、少なくとも50回の確認が求められる限り、IPoSはプライベートフォーク攻撃に対して耐性を示す。
• バイアス攻撃は著しく困難になり、より多くの参加者との共謀が必要となり、攻撃に失敗した場合にはチケット報酬を失う。
• グラインディング攻撃は、公開鍵の反復に限定されるため、Nxt や NeuCoin と異なり、タイムスタンプや出力インデックスを操作可能な場合よりも実行が困難になる。
• 明示的な時間遅延とタイムスタンプが排除され、攻撃のベクトルが削減され、システムの安定性が向上する。
• ブロックツリーのモデルにより、複数チェーンへのマイニングが抑制され、1人のマイナーが複数のチェーンに貢献する利益を得ない。
• プルーフ・オブ・ワークのブロックをランダムビーコンとして用いたハイブリッド設計により、グラインディングを防止し、チェーン選択を強制できる。これは、複数のステーカーを含むビットコイン-NGのマイクロブロックモデルを模倣するものである。