[論文レビュー] StakeDag: Stake-based Consensus For Scalable Trustless Systems
StakeDagは、信頼できないシステムにおけるスケーラブルでリーダーレス、Byzantine Fault-Tolerant（BFT）な合意形成を実現するDAGアーキテクチャ上に構築された、ステークに基づく合意プロトコル$S_{\rho}$を提案する。検証の権限をステークに比例させ、Clotho/Atroposの最終性を用いたレイヤー化されたイベント構造を採用することで、一貫性のある最終性と実用的なBFT保証を伴う効率的な取引確認を達成する。
Trustless systems, such as those blockchain enpowered, provide trust in the system regardless of the trust of its participants, who may be honest or malicious. Proof-of-stake (PoS) protocols and DAG-based approaches have emerged as a better alternative than the proof of work (PoW) for consensus. This paper introduces a new model, so-called \emph{\stakedag}, which aims for PoS consensus in a DAG-based trustless system. We address a general model of trustless system in which participants are distinguished by their stake or trust: users and validators. Users are normal participants with a no assumed trust and validators are high profile participants with an established trust. We then propose a new family of stake-based consensus protocols $\mathfrak{S}$, operating on the DAG as in the Lachesis protocol~\cite{lachesis01}. Specifically, we propose a stake-based protocol $S_ϕ$ that leverages participants' stake as validating weights to achieve more secure distributed systems with practical Byzantine fault tolerance (pBFT) in leaderless asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We then present a general model of staking for asynchronous DAG-based distributed systems.
研究の動機と目的
- 信頼できないシステム向けに、検証の権限をステークで測るスケーラブルでリーダーレスな合意プロトコルを設計すること。
- PoWおよび従来のPoSの限界を克服し、DAGベースのイベント伝搬を用いてエネルギー消費を低減し、確認速度を向上させること。
- ステーク重み付き検証とレイヤー化されたイベント順序付けを用いて、非同期で分散化されたネットワークにおける実用的Byzantine fault tolerance（pBFT）を達成すること。
- ClothoおよびAtroposブロックに基づく新しいルート選択およびメインチェーン構築メカニズムにより、分散型レジストリにおける強い一貫性と最終性を保証すること。
- 委任、取引ベースのステーキング、動的重み割り当てをサポートするステーキングモデルを形式的に定式化し、セキュリティおよび分散化を強化すること。
提案手法
- イベントブロックがLamportタイムスタンプに基づいてレイヤーに割り当てられるステーク重み付きDAG構造、すなわちS-OPERAチェーンを提案する。
- イベントをフレームに割り当てるレイヤー化メカニズム$\phi_{LPL}$を導入し、その深さと参照する検証イベント数に基づいて、ノード間で一貫性のあるレイヤー化を保証する。
- 各フレームにおけるルートを、直前のフレームのイベントの過半数（2/3以上）の支配に基づいて特定するルート選択プロセスを採用し、一貫したチェーン上で一貫したルートグラフを実現する。
- ClothoおよびAtroposブロックを最終性マーカーとして定義する：Clothoは、直前のフレームのルートの2/3以上が支配されている場合に選択され、Atroposはメインチェーンをアンカーする最終化済みClothoである。
- 各イベントから重み付きルートへの到達可能性を追跡するフラグテーブルを用い、ノード間で一貫した検証スコアを実現する。
- Atroposブロックからなるメインチェーンを構築し、高速な取引確認とグローバルステート同期のためのグローバルに順序付けられ、最終化可能なレジストリを提供する。
実験結果
リサーチクエスチョン
- RQ1リーダーレスで非同期なDAGベースの合意プロトコルにおいて、どのようにしてステークを検証の重みとして効果的に活用し、実用的Byzantine fault tolerance（pBFT）を達成できるか？
- RQ2動的で非同期なネットワークにおける分散ノード間で、一貫性のあるレイヤー化、ルート選択、および最終性マーカー（Clotho/Atropos）の割り当てを保証するメカニズムは何か？
- RQ3DAGベースのレジストリにおいて、直接ステーキングと委任の両方をサポートしつつ、セキュリティと一貫性を維持するステーキングモデルはどのように設計できるか？
- RQ4敵対的条件下でのステーク重み付きDAGシステムにおいて、一貫性と最終性の保証を形式的に証明できるか？
- RQ5レイヤー化されたイベント構造とメインチェーン構築が、スケーラブルで信頼できないシステムにおける効率的な取引確認とグローバルステート推定をどのように可能にするか？
主な発見
- $S_{\rho}$プロトコルは、$\phi_{LPL}$レイヤー化関数により、誠実なノード間で一貫したレイヤー化を達成し、一貫したチェーン内の任意のイベントについて、すべてのノードが同じレイヤーに割り当てる。
- 一貫したチェーン間でルートグラフが一貫している。つまり、2つのチェーンが一貫している限り、それらは各フレームに対して同じルート集合を割り当て、イベントの先祖関係についてのグローバルな合意を保証する。
- 一貫したチェーン内の任意のイベントについて、フラグテーブルと検証スコアはノード間で一貫している。これは、一貫したルート集合とステーク重みにのみ依存するためである。
- ClothoおよびAtroposブロックは誠実なノード間で一貫して選択され、メインチェーン（最終化済みAtroposブロックから構成される）はすべての誠実なノードで同一となる。
- メインチェーンは、グローバルに順序付けられ、最終化可能なレジストリを提供し、高速な取引確認、グローバルステート推定、および矛盾する取引の検出を可能にする。
- 形式的証明により、プロトコルが非同期DAG環境下で実用的Byzantine fault tolerance（pBFT）を達成することを示しており、最終性はステーク重み付きでリーダーレスな合意メカニズムによって実現される。
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