[論文レビュー] RepChain: A Reputation-based Secure, Fast and High Incentive Blockchain System via Sharding

Chenyu Huang, Zeyu Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 27被引用数 23

ひとこと要約

RepChainは、バリデータのレピュテーションを活用してリーダー選出とシャーディングを制御することで、スループット、セキュリティ、インcentive整合性を向上させるレピュテーションベースのシャーディングブロックチェーンを提案する。二重チェーンアーキテクチャを採用し、Raftベースのトランザクション合意形成とByzantine Fault-Tolerant（BFT）レピュテーション合意形成を実装することで、レピュテーションに配慮した負荷分散と動的パrameter調整により、高いスループットと改善されたセキュリティを達成する。

ABSTRACT

In today's blockchain system, designing a secure and high throughput blockchain on par with a centralized payment system is a difficult task. Sharding is one of the most worthwhile emerging technologies for improving the system throughput while maintain high security level. However, previous sharding related designs have two main limitations: Firstly, the throughput of their random-based sharding system is not high enough as they did not leverage the heterogeneity among validators. Secondly, to design an incentive mechanism to promote cooperation could incur a huge overhead on their system. In this paper, we propose RepChain, a reputation-based secure and fast blockchain system via sharding, which also provides high incentive to stimulate node cooperation. RepChain utilizes reputation to explicitly characterize the heterogeneity among the validators and lay the foundation for the incentive mechanism. We propose a new double-chain architecture which includes transaction chain and reputation chain. For transaction chain, a Raft-based synchronous consensus that can achieve high throughput has been presented. For reputation chain, the synchronous Byzantine fault tolerance that combines collective signing has been utilized to achieve a consensus on both reputation score and the related transaction blocks. It supports a high throughput transaction chain with moderate generation speed. Moreover, we propose a reputation-based sharding and leader selection scheme. To analyze the security of RepChain, we propose a recursive formula to calculate the epoch security within only O(km^2) time. Furthermore, we implement and evaluate RepChain on the Amazon Web Service platform. The results show our solution can enhance both throughout and security level of the existing sharding-based blockchain system.

研究の動機と目的

• シャーディングベースのブロックチェーンにおける低スループットと脆弱なセキュリティの問題を、ランダムシャーディングとインcentiveメカニズムの欠如によって解決する。
• 計算能力や歴史的行動といったバリデータの非均質性を、レピュテーションシステムを用いて活用し、システム性能を向上させる。
• 中央集権的な報酬配分に依存しない、安全で高スループットかつインcentive互換性のあるシャーディングプロトコルを設計する。
• レピュテーションスコアの分配により、攻撃者が特定のシャーディングに支配しないよう、シャーディングの構成をバランスさせる。
• 敵対的状況下でのエポックレベルのセキュリティを効率的に計算できる再帰的公式を含む、形式的なセキュリティモデルを提供する。

提案手法

• 二重チェーンアーキテクチャを導入：トランザクションチェーンはRaftベースの同期合意形成により高スループットを実現し、レピュテーションチェーンは集団署名を用いてBFT合意形成によりレピュテーションスコアに合意する。
• 高レピュテーションのバリデータをリーダーとして選出するレピュテーションベースのシャーディングおよびリーダー選出メカニズムを設計し、スループットの向上とボトルネックの低減を実現する。
• レピュテーションの独占を防ぎ、長期的な参加における公平性を確保するため、レピュテーションの減衰メカニズムを実装する。
• O(km²)時間で実行されるエポックセキュリティ計算の再帰的公式を提案し、さまざまな脅威モデル下での攻撃耐性分析を効率的に行えるようにする。
• 観察・攻撃攻撃（observe-act attack）に対する防御を図るため、レピュテーション式、スライディングウインドウ、シャーディング方式などのシステムパrameterを動的に調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてレピュテーションを効果的に活用し、バリデータの非均質性をモデル化し、シャーディングブロックチェーンにおけるスループットを向上させることができるか？
• RQ2 レピュテーションベースのシャーディングメカニズムは、悪意あると誠実なバリデータの分布をシャーディングに均等に分散させることで、システムセキュリティを向上させることができるか？
• RQ3 レピュテーションに基づくインcentiveメカニズムは、収入のばらつきを低減し、バリデータの長期的参加を促進することができるか？
• RQ4 レピュテーションベースのシャーディングシステムにおけるエポックレベルセキュリティの分析の計算複雑度は何か？そして、効率的に計算可能か？
• RQ5 動的パrameter調整は、観察・攻撃攻撃（observe-act attack）を含む高度な適応的攻撃に対して、どのように耐性を高めるか？

主な発見

• RepChainは、トランザクションチェーンにおけるRaftベースの合意形成により、シャーディング間での並列処理を効率的に行えるため、高いスループットを達成する。
• 集団署名を用いてレピュテーションスコアとブロック有効性に合意を形成することで、レピュテーションチェーンが一貫性とフォールトトレラント性を確保する。
• レピュテーションに基づくシャーディングおよびリーダー選出スキームにより、高能力なバリデータを優遇することで、システムのボトルネックを低減し、全体のスループットを向上させる。
• エポックセキュリティ計算の再帰的公式はO(km²)時間で実行され、スケーラブルかつ効率的なセキュリティ分析を可能にする。
• AWS上での評価では、RepChainは、特に敵対的状況下において、既存のシャーディングベースのシステムと比較して、スループットとセキュリティの両方を向上させることを示した。
• 動的パrameter調整により、エポック間でのレピュテーション分布にランダム性を導入することで、観察・攻撃攻撃が効果的に緩和された。