[論文レビュー] Rollerchain, a Blockchain With Safely Pruneable Full Blocks

Alexander Chepurnoy, Mario Larangeira+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 13

ひとこと要約

Rollerchainは、非インタラクティブなストレージ証明に基づく改変されたPoW方式を用いて、固定数の歴史的ステートスナップショットを共同で保存するようノードにインcentivizeすることで、完全ブロックの安全なプリーニングを可能にするブロックチェーンプロトコルを提唱する。これにより、合理的なノードはネットワークのセキュリティや信頼できるブートストラップを損なわずに、ストレージを桁違いに削減できる。

ABSTRACT

Bitcoin is the first successful decentralized global digital cash system. Its mining process requires intense computational resources, therefore its usefulness remains a disputable topic. We aim to solve three problems with Bitcoin and other blockchain systems of today by repurposing their work. First, space to store a blockchain is growing linearly with number of transactions. Second, a honest node is forced to be irrational regarding storing full blocks by a way implementations are done. Third, a trustless bootstrapping process for a new node involves downloading and processing all the transactions ever written into a blockchain. In this paper we present a new consensus protocol for Bitcoin-like peer-to-peer systems where a right to generate a block is given to a party providing non-interactive proofs of storing a subset of the past state snapshots. Unlike the blockchain systems in use today, a network using our protocol is safe if the nodes prune full blocks not needed for mining. We extend the GKL model to describe our Proof-of-Work scheme and a transactional model modifications needed for it. We provide a detailed analysis of our protocol and proofs of its security.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンのストレージ成長の持続不可能性に対処し、ネットワークセキュリティを損なわず、完全ブロックの安全なプリーニングを可能にすること。
• 合理的な傾向として古いブロックを破棄するのを防ぐために、ノードが歴史的ステートスナップショットを保存する経済的インcentiveを提供すること。
• 完全ノードがほとんどブロックをプリーニングしても、新しいノードが十分な歴史的データを保持して検証可能であることを保証し、信頼できないブートストラップを確保すること。
• PoWマイニングを再利用し、ストレージコミットメントメカニズムとして機能させ、マイナーのインセンティブを長期的なネットワークの持続可能性と一致させること。
• GKLモデルを拡張して、プリーナブルな完全ブロックと動的ステートスナップショットをサポートする、証明可能に安全なプロトコルを開発すること。

提案手法

• マイナーがブロックヘッダだけでなく、過去のステートスナップショットのサブセットのストレージを証明する必要がある、改変されたPoW方式を導入する。
• 新しいブロックを生成する権利が、ランダムに選択された歴史的ステートスナップショットの保持を証明することに依存するマイニングロトゥリーを定義する。
• マイニングに必要なスナップショットの動的セットを用い、その数と選択基準はネットワークのアーカイビングパラメータ $n$ と $k$ によって決定される。
• GKLモデルを適用して、改変されたPoW方式のセキュリティを形式的に定式化し、Sybil攻撃および二重支出攻撃に対する耐性を保証する。
• ステートの表現に認証付きデータ構造を適用し、一括更新の効率化とステート整合性のコンact証明を可能にする。
• 新しいノードが、信頼できるステートスナップショットをダウンロードし、暗号的証明を用いてそのチェーン内への包含を検証できるメカニズムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての完全ノードが合理的であり、ほとんど歴史的ブロックをプリーニングする場合でも、ブロックチェーンシステムは安全に保てるか？
• RQ2 アラート主義に依存せずに、長期的なステートスナップショットのストレージを促すために、PoWシステムをどのように再設計できるか？
• RQ3 どの暗号的およびコンSENSUSメカニズムが、プリーニングされたブロックがブロックチェーンの整合性や最終性を損なわないことを保証するか？
• RQ4 完全ノードがブロックチェーンの完全な履歴を保持しなくなった場合、新しいノードはどのように信頼できない方法でブートストラップできるか？
• RQ5 プリーナブルブロックチェーンにおいて、合理的な完全ノードが安全かつ準拠を維持するための最小限のストレージおよび計算リソース要件は何か？

主な発見

• Rollerchainは、従来の完全ノードと比較して、完全ノードのストレージ要件を最大で3桁減少させることができるが、セキュリティを損なわない。
• プロトコルは、固定数の歴史的ステートスナップショットのストレージを要求することで、完全ブロックの安全なプリーニングを保証し、プリーニングを暗号的に検証可能にする。
• 信頼できないブートストラップが維持される。なぜなら、新しいノードは信頼できるステートスナップショットをダウンロードし、コンパクトな暗号的証明を用いてそのチェーン内への包含を検証できるからである。
• 改変されたPoW方式は、拡張されたGKLモデルに基づいて形式的に安全であると証明されており、Sybil攻撃および二重支出攻撃に対する耐性を保証する。
• プロトコルは汎用的であり、認証付きステート表現をサポートする限り、異なるトランザクションセマンティクスを持つさまざまなブロックチェーンシステムに適用可能である。
• 十分な数のノードが要求されるスナップショットとブロックを共同で保存している限り、合理的な多数派のノードが支配する状況でも、システムは安全に保たれる。