[論文レビュー] Proofs of Proof-of-Stake with Sublinear Complexity

Shresth Agrawal, Joachim Neu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ポスト・オブ・ステーク（PoS）エポックのマーチャルツリーと二分探索ゲームを用いて、ブロックチェーンの状態を効率的かつ安全に検証できる、サブラインアーなブートストラップ複雑性を有する新規PoSスーパーソフトクライアントプロトコルを紹介する。このプロトコルは、既存のイーサリアムライトクライアントと比較して、ブートストラップを9倍速く、通信量を180倍少なく、エネルギー消費量を30倍低く抑え、リソース制限のあるデバイス上でも信頼できない状態を避けて効率的な検証を可能にする。

ABSTRACT

Popular Ethereum wallets (like MetaMask) entrust centralized infrastructure providers (e.g., Infura) to run the consensus client logic on their behalf. As a result, these wallets are light-weight and high-performant, but come with security risks. A malicious provider can mislead the wallet by faking payments and balances, or censoring transactions. On the other hand, light clients, which are not in popular use today, allow decentralization, but are concretely inefficient, often with asymptotically linear bootstrapping complexity. This poses a dilemma between decentralization and performance. We design, implement, and evaluate a new proof-of-stake (PoS) superlight client with concretely efficient and asymptotically logarithmic bootstrapping complexity. Our proofs of proof-of-stake (PoPoS) take the form of a Merkle tree of PoS epochs. The verifier enrolls the provers in a bisection game, in which honest provers are destined to win once an adversarial Merkle tree is challenged at sufficient depth. We provide an implementation for mainnet Ethereum: compared to the state-of-the-art light client construction of Ethereum, our client improves time-to-completion by 9x, communication by 180x, and energy usage by 30x (when bootstrapping after 10 years of consensus execution). As an important additional application, our construction can be used to realize trustless cross-chain bridges, in which the superlight client runs within a smart contract and takes the role of an on-chain verifier. We prove our construction is secure and show how to employ it for other PoS systems such as Cardano (with fully adaptive adversary), Algorand, and Snow White.

研究の動機と目的

• 完全ノードのオーバーヘッドなしに、効率的かつ分散化された検証を可能にするPoSブロックチェーンクライアントにおける、パフォーマンスとセキュリティのトレードオフを解消すること。
• サブラインアーな通信および計算複雑性を有する、要約されたポスト・オブ・ステーク（PoPoS）プロトコルを設計し、ライトクライアントがブロックチェーンの状態を効率的に検証できるようにすること。
• メインネット・イーサリアム用に完全に機能するスーパーソフトクライアントを実装・評価し、既存のライトクライアント設計と比較して、速度、通信量、エネルギー効率の面で優れていること。
• 標準仮定（衝突耐性ハッシュ関数、署名の存在的 forgeability が不可能であること）の下で、プロトコルのセキュリティを証明すること。
• スマートコントラクト内でオンチェーン検証者としてスーパーソフトクライアントをデプロイすることにより、信頼できないクロスチェーンブリッジの新規応用を可能にすること。

提案手法

• プロトコルは、各エポックにおけるバリデーター・セットの状態をコミットメントするマーチャルツリーを構築する。各ノードは、あるエポックにおけるバリデーター・セットの状態に対するコミットメントを表す。
• 検証者は、プローバーを挑戦する二分探索ゲームを用いる。誠実なプローバーは、深さを増しながらマーチャルツリーの正しい分岐を正しく特定することで勝利する。
• 二分探索ゲームにより、妥当性（サウンドネス）が保証される。攻撃的プローバーは、署名を偽造するか、ハッシュの衝突を破る能力がなければ、勝利できない。これは計算的に不可能である。
• 複数のプローバー間でトーナメント機構を採用し、検証者が複数のラウンドにわたりそれらと対話することで、正しい状態コミットメントに収束する。
• セキュリティは、完全性（誠実なプローバーが勝つ）、妥当性（攻撃者がほとんど確率で負ける）、および標準暗号的仮定の下での状態コミットメントの安全性によって証明される。
• 実装はメインネット・イーサリアムをターゲットとし、同期委員会やBLS署名などの既存のPoSインfraストラクチャおよび暗号Primitiveと統合される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoSブロックチェーンクライアントは、強力なセキュリティ保証を維持しつつ、サブラインアーなブートストラップ複雑性を達成できるか？
• RQ2 長期間にわたるブロックチェーン履歴の効率的検証を可能にする要約されたPoSプロトコルをどのように構築できるか？
• RQ3 PoSシステムにおける状態検証に、二分探索ゲームとマーチャルツリー構造を用いる際のパフォーマンスオーバーヘッドは何か？
• RQ4 提案されたプロトコルは、オンチェーン検証としてスーパーソフトクライアントを用いて、信頼できないクロスチェーンブリッジを安全に構築するために応用可能か？
• RQ5 実際の動作において、既存のライトクライアント設計と比較して、時間、通信量、エネルギー消費量の観点で、プロトコルはどのように差をつけるか？

主な発見

• 提案されたスーパーソフトクライアントは、10年分のイーサリアムコンセンサスのブートストラップを、最先端のライトクライアントと比較して9倍速く完了する。
• 通信複雑性は180倍低減され、モバイルおよびブラウザベースのクライアントにおける帯域幅効率が著しく向上する。
• 10年以上のブートストラップにおいて、エネルギー消費量は30倍低減され、4倍の低い電力消費量と7倍の高速な完了時間を達成する。
• アイドル電力を除く余分なエネルギー消費量は、ベースラインのライトクライアントと比較して64倍低減され、バッテリー駆動デバイスにとって実用的になる。
• プロトコルは、標準仮定（衝突耐性ハッシュ関数、署名の存在的 forgeability が不可能であること、安全なPoS実行）の下で形式的に安全であると証明されている。
• この構成により、スマートコントラクトがスーパーソフトクライアントをオンチェーン検証者として実行することで、外部の当事者に信頼を置かずに状態整合性を保証できる信頼できないクロスチェーンブリッジの構築が可能になる。