[論文レビュー] Topos: A Secure, Trustless, and Decentralized Interoperability Protocol

Théo Gauthier, Sébastien Dan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Cryptography and Data Security被引用数 5

ひとこと要約

Toposは、計算的整合性を保証するzkSTARK証明と、伝送制御エンジン（TCE）を介した弱い因果的信頼性の高いブロードキャストを用いて、異種ブロックチェーン間の信頼性のない分散型相互運用性プロトコルを提供する。このプロトコルは、合意形成や中央集権的なブロックチェーンに依存せずに、均一なセキュリティ、スケーラビリティ、および合成可能性を実現する。クロスサブネットメッセージは、ユニバーサル・コートフェート・インターフェース（UCI）とICE-FROSTの閾値署名を介して暗号的に検証される。

ABSTRACT

Topos is an open interoperability protocol designed to reduce as much as possible trust assumptions by replacing them with cryptographic constructions and decentralization while exhibiting massive scalability. The protocol does not make use of a central blockchain, nor uses consensus to ensure consistent delivery of messages across a heterogeneous ecosystem of public and private blockchains, named subnets, but instead relies on a weak causal reliable broadcast implemented by a distributed network which we call $ extit{Transmission Control Engine}$ (TCE). The validity of cross-subnet messages is ensured by the $ extit{Universal Certificate Interface}$ (UCI) and stems from zkSTARK proofs asserting the validity of subnets' state transitions executed by the Topos zkVM. Such proofs of computational integrity are publicly verifiable by any other participants in and out the protocol such as other subnets or audit companies. The interface between the TCE and subnets leverages the ICE-FROST protocol, an innovative threshold signature scheme, whose static public key allows for uniquely identifying subnets after they register in the protocol. The Topos protocol is designed to provide $ extit{uniform security}$ to the ecosystem and to handle any type of subnets (e.g., permissioned, permissionless) in order to fit any business use cases and pave the way for global adoption and a new standard for the Internet base layer.

研究の動機と目的

• 中央集権的なブリッジや合意形成メカニズムに依存しない分散型で信頼性のない相互運用性プロトコルを設計すること。
• 許可型および非許可型サブネットを含む、異種ブロックチェーン間で安全で暗号的に検証可能なクロスサブネット通信を可能にすること。
• 従来の合意形成を弱い因果的信頼性の高いブロードキャストプロトコル（WCPRB）とzkSTARKに基づく状態遷移の証明に置き換えることで、高いスケーラビリティと低遅延を達成すること。
• エコシステム全体に均一なセキュリティと合成可能性を保証し、クロスチェーンアプリケーションのアトミックおよび非同期合成を可能にすること。
• ユニバーサル・コートフェート・インターフェース（UCI）を通じてサブネットの共通言語を標準化し、グローバルなブロックチェーン相互運用性の基盤を提供すること。

提案手法

• プロトコルは、合意形成を必要とせず、弱い因果的確率的信頼性の高いブロードキャスト（WCPRB）を実装する分散型伝送制御エンジン（TCE）を用いる。
• クロスサブネットメッセージは、ToposのzkVMによって生成されたzkSTARK証明を用いて暗号的に検証され、個々のサブネット上の状態遷移の正しさを保証する。
• ユニバーサル・コートフェート・インターフェース（UCI）は、これらの証明をグローバルに検証可能な証明書に束ね、ICE-FROSTの閾値署名を用いてサブネットを一意に識別・認証する。
• サブネットはTopos Subnetを介して登録され、TCEへの参加を管理し、静的公開鍵と閾値署名を用いてシビル攻撃を緩和する。
• 手数料がクロスサブネット取引のために徴収され、アトミックおよび非同期実行による合成可能性が実現される。
• 検証後、過去の状態は破棄され、データ可用性レイヤーには状態コミットメントのみが保持されるため、サブネットあたりのストレージが一定に保たれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼性のない中央集権的実体や合意形成プロトコルに依存せずに、ブロックチェーン相互運用性を実現する方法は何か？
• RQ2 ゼロ知識証明と弱い因果的ブロードキャストを用いて、分散型でスケーラブルで暗号的に安全なクロスチェーン通信層を構築できるか？
• RQ3 信頼性のないエコシステムにおいて、異種で自律的なサブネット間で均一なセキュリティと合成可能性を確保するにはどのような仕組みが必要か？
• RQ4 最終性や一貫性を損なわず、効率的でスケーラブルかつプライバシー保護されたクロスサブネット取引検証を可能にするメカニズムは何か？
• RQ5 再帰的zkSTARKを活用することで、複数のサブネットにわたる証明をバッチ処理し、TCEの負荷を低減できるか？

主な発見

• Toposプロトコルは、合意形成を置き換えるTCEが実装する弱い因果的信頼性の高いブロードキャスト（WCPRB）を用いることで、二次的メッセージ複雑性を回避しながら、信頼性のない分散型相互運用性を達成する。
• ToposのzkVMによって生成されたzkSTARK証明は、公開検証可能で暗号的に妥当な状態遷移の証明を提供し、参加者は独立してクロスサブネットメッセージを検証できる。
• ICE-FROSTの閾値署名方式により、サブネットに静的公開鍵が提供され、中央機関に依存せずに一意の識別とシビル攻撃抵抗性を実現する。
• 検証後に過去の状態を破棄し、データ可用性レイヤーに状態コミットメントのみを保持することで、サブネットあたりのストレージが一定に保たれる。
• 再帰的zkSTARKを用いることで、複数のサブネットにわたる証明をバッチ処理し、TCEの負荷を低減するとともに、サブネットが自身の証明提出スケジュールを制御できる。
• プロトコルはアトミックおよび非同期合成を両方可能にし、強力なセキュリティ保証のもとで複雑なクロスチェーンアプリケーションの構築を可能にする。