[論文レビュー] Proof of Work Without All the Work

Diksha Gupta, Jared Saia+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、攻撃者の活動に基づいて作業を動的にスケーリングすることで、通常運用時における計算コストを最小限に抑えつつネットワークのセキュリティを維持する、画期的なプルーフ・オブ・ワーク（PoW）プロトコルを提案する。このプロトコルは攻撃者の努力に対して線形に計算コストが増加するため、通常時は低コストで、攻撃時でも強力なセキュリティ保証を維持できる。

ABSTRACT

Proof-of-work (PoW) is an algorithmic tool used to secure networks by imposing a computational cost on participating devices. Unfortunately, traditional PoW schemes require that correct devices perform computational work perpetually, even when the system is not under attack. We address this issue by designing a general PoW protocol that ensures two properties. First, the network stays secure. In particular, the fraction of identities in the system that are controlled by an attacker is always less than 1/2. Second, our protocol’s computational cost is commensurate with the cost of an attacker. In particular, the total computational cost of correct devices is a linear function of the attacker's computational cost plus the number of correct devices that have joined the system. Consequently, if the network is attacked, we ensure security, with a cost that grows linearly with the attacker’s cost; and, in the absence of an attack, our computational cost remains small. We prove similar guarantees for bandwidth cost. Our result is motivated by blockchain and cryptocurrency systems such as Bitcoin. Thus, our results hold in a dynamic, decentralized system where participants join and depart over time, and where the total computational power of the attacker is up to a constant fraction of the total computational power of correct devices. We demonstrate how to leverage our results to address important security problems in distributed computing including: Sybil attacks, Byzantine consensus, and Committee election.

研究の動機と目的

• 攻撃が発生していない状況でも継続的に計算作業を要する従来のPoW方式の非効率性に対処すること。
• 攻撃が存在しない状況において、誠実な参加者が最小限のコストでネットワークセキュリティを確保できるPoWプロトコルを設計すること。
• 誠実なデバイスの計算コストが、誠実なデバイスの数ではなく攻撃者の計算パワーに比例して増加することを達成すること。
• 帯域幅コストに対しても同様の効率的保証を提供し、動的で分散型のシステムにおけるリソース効率を確保すること。
• 分散型ネットワークにおけるSybil保護、Byzantine合意形成、委員会選挙のための実用的なセキュアメカニズムの導入を可能にすること。

提案手法

• 攻撃者の行動に基づいて、攻撃が検出された場合にのみ計算作業を活性化する動的PoWプロトコルの設計。
• 攻撃者が制御するアイデンティティの割合を1/2未満に制限するメカニズムの導入。
• 誠実なデバイスの合計計算コストが、攻撃者のコストに加えて参加した誠実なデバイスの数に比例するコストモデルの使用。
• 攻撃者の合計計算パワーが誠実なデバイスの合計パワーの定数倍未満であるという脅威モデルを用いて、セキュリティ保証を形式化すること。
• プロトコルの効率性を活用して、計算コストが低い帯域幅の高い安全な委員会選挙およびByzantine合意形成プロトコルのサポート。
• 計算コストおよび帯域幅コストの両方が、システムのサイズや誠実な参加者数ではなく攻撃者の努力に比例して線形に増加することの証明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 攻撃が発生していない状況で、誠実なノードが最小限の作業しか行わないPoWプロトコルを設計できるか？
• RQ2 PoWシステムが、誠実なノードの負荷を最小限に抑えつつ、強力なセキュリティ保証（例：攻撃者が1/2未満の制御を維持）を維持できるか？
• RQ3 攻撃者の努力に対して、誠実なデバイスが確保するセキュリティのために支払う最小限の計算コストは何か？
• RQ4 同様の効率的原則を帯域幅コストに対しても適用でき、リソース使用が比例的になるか？
• RQ5 このプロトコルは、特にSybil抵抗性と合意形成のための、ブロックチェーンなどの分散型システムにおいて実用的に使用可能か？

主な発見

• 提案されたPoWプロトコルにより、攻撃者が制御するアイデンティティの割合は1/2未満に保たれ、強力なセキュリティが維持される。
• 誠実なデバイスの合計計算コストは、攻撃者の計算コストに加えて参加した誠実なデバイスの数に比例する線形関数で上限が定められる。
• 攻撃が存在しない状況では、誠実なデバイスの計算コストは小さく保たれ、システムサイズに比例して増加しない。
• プロトコルは帯域幅コストに対しても同様の線形スケーリングを達成し、リソース使用が比例的になる。
• プロトコルにより、動的で分散型のシステムにおけるSybil保護、Byzantine合意形成、委員会選挙といった安全なメカニズムの効率的導入が可能になる。
• 攻撃者の計算パワーが誠実なデバイスの合計パワーの定数倍未満であるという現実的な脅威モデル下でも、セキュリティ保証が成立する。