[論文レビュー] Superlight -- A Permissionless, Light-client Only Blockchain with Self-Contained Proofs and BLS Signatures

Roman Blum, Thomas Bocek|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

Superlightは、自己完結型証明（SCPs）とBLS署名を用いて、ブロックヘッダーのみで取引を検証可能な、許可なしで軽量クライアントのみのブロックチェーンを提案する。これにより、ノードは完全なブロックチェーンではなくブロックヘッダーのみで取引を検証可能となり、ストレージ要件を大幅に削減しながらも、セキュリティと分散性を維持する。ただし、BLS署名および完全なブルームフィルターによる計算オーバーヘッドの増加を伴う。

ABSTRACT

Blockchain protocols are based on a distributed database where stored data is guaranteed to be immutable. The requirement that all nodes have to maintain their own local copy of the database ensures security while consensus mechanisms help deciding which data gets added to the database and keep powerful adversaries from derailing the system. However, since the database that forms the foundation of a blockchain is a continuously growing list of blocks, scalability is an inherent problem of this technology. Some public blockchains need a few 100 GB to Terabytes of storage. In this work, we present the concept Superlight with self-contained proofs, which is designed to improve scalability of a public blockchain, while preserving security and decentralization. Instead of all nodes having a local copy of the whole blockchain to verify a transaction, nodes can derive the validity of a transaction by only using block headers. To keep the block headers compact, BLS signatures are used to combine signatures. We provide a definition of SCPs and show the required steps of a client to create a proof that is accepted by other nodes for transferring funds. The advantage of such a light-client-only blockchain is the lower storage requirement, while the drawback is an increased computational complexity due to BLS signatures, limited use-cases due to lack of a global state, and the requirement for an interactive protocol between sender, receiver, and miner to create a transaction.

研究の動機と目的

• 成長するブロックチェーンデータの完全ノードストレージの必要性に起因する、パubbリックブロックチェーンのスケーラビリティ制限を解消すること。
• すべての参加者が軽量クライアントとして動作可能な許可なしのブロックチェーンを実現し、ノードごとのストレージ要件を低減すること。
• 取引の有効性が完全なブロックチェーン履歴にアクセスせずに、ブロックヘッダーと自己完結型証明のみで検証可能であるようなシステムを設計すること。
• BLS署名および完全なブルームフィルターに起因する計算コストの増加と、ストレージ削減のトレードオフを評価すること。

提案手法

• システムは、各取引に取引有効性証明をバンドルする自己完結型証明（SCPs）を用い、ブロックヘッダーのみで検証可能である。
• BLS署名を用いて複数の署名を1つのコンactな署名に集約し、ブロックヘッダーのサイズを削減し、検証を効率化する。
• システム内に既知のすべてのアドレスを表す完全なブルームフィルターを構築し、参加アドレスの集合のみを格納することで、ヘッダーの肥大化を最小限に抑える。
• ブロックヘッダーには完全なブルームフィルター、BLS署名の集約、およびすべての既知のアドレスのリストが含まれ、軽量クライアントが完全なブロックチェーンにアクセスせずに取引を検証可能である。
• 非参加アドレスに対して誤検出が発生しないよう、サイズを段階的に増大させながら完全なブルームフィルターを計算するメカニズムを定義する。
• プロトコルは、すべてのクライアントがブロックヘッダーと自身の取引データ（Merkle証明を含む）を保存し、必要に応じてSCPを再構築できるものと仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全ノードの必要性を排除しながらもセキュリティと分散性を維持できる、軽量クライアントのみで動作するブロックチェーンを設計できるか？
• RQ2 完全なブロックチェーン履歴にアクセスせずに、ブロックヘッダーと最小限のメタデータのみで取引の有効性を証明できるか？
• RQ3 ブロックチェーン環境においてBLS署名および完全なブルームフィルターを用いる場合、ストレージ削減と計算コスト増加のトレードオフはどのように評価できるか？
• RQ4 完全なブルームフィルターを用いることで、アドレスを直接格納する場合と比較して、ブロックヘッダーのサイズをどの程度削減できるか？
• RQ5 軽量クライアントが個々の取引や証明を失った場合でも、有効な証明を再構築できるように、システムはどのように保証するか？

主な発見

• 完全なブルームフィルターの使用により、アドレスを直接格納する場合と比較してブロックヘッダーのサイズが顕著に削減される。テストでは、500体中400体の参加アドレスに対して3000ビットのヘッダーサイズが得られた。
• BLS署名により、複数の署名を1つのコンactな署名に効率的に集約でき、ブロックヘッダー内の証明部のサイズが削減される。
• 完全なブルームフィルターの生成にかかる計算コストは参加アドレス数に比例して増加するが、非参加アドレスに対して誤検出が発生しないことを保証する。
• ブロックヘッダーと自己完結型証明のみで完全な取引検証が可能となり、すべてのノードが軽量クライアントとして動作でき、ノードごとのストレージ要件が削減される。
• 主な制限として、クライアントが取引またはそのMerkle証明を失った場合、有効な自己完結型証明を再生成できず、資金の永久的損失のリスクが生じる。
• このアプローチは、データ構造、暗号メカニズム、およびコンSENSUSプロトコルの変更を伴うため、既存のブロックチェーンに展開するにはハードフォークが必要である。