[論文レビュー] Winning the Caucus Race: Continuous Leader Election via Public Randomness

Sarah Azouvi, Patrick McCorry+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用数 13

ひとこと要約

Caucus は、プーリック・ランダムネスとプライベート・ハッシュ・コミットメントを用いて、プルーフ・オブ・ワークに依存せずに安全で公平かつ予測不可能なリーダー選出を実現する低コストで協調最小限のブロックチェーン用リーダー選挙プロトコルである。Ethereum 上ではリーダー選挙あたりわずか $0.10 のコストに抑えられ、既存のランダムビーコンソリューションと比較して大幅にコスト削減を実現する。

ABSTRACT

Consensus protocols inherently rely on the notion of leader election, in which one or a subset of participants are temporarily elected to authorize and announce the network's latest state. While leader election is a well studied problem, the rise of distributed ledgers (i.e., blockchains) has led to a new perspective on how to perform large-scale leader elections via solving a computationally difficult puzzle (i.e., proof of work). In this paper, we present Caucus, a large-scale leader election protocol with minimal coordination costs that does not require the computational cost of proof-of-work. We evaluate Caucus in terms of its security, using a new model for blockchain-focused leader election, before testing an implementation of Caucus on an Ethereum private network. Our experiments highlight that one variant of Caucus costs only $0.10 per leader election if deployed on Ethereum.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワークの高コストを回避しつつ、協調オーバーヘッドを最小限に抑えた、ブロックチェーン向けの安全でスケーラブルなリーダー選挙プロトコルの設計。
• ブロックチェーンのリーダー選挙に特化したセキュリティ要件（継続性、公平性、予測不可能性）を形式的に定式化すること。
• Ethereum 上でのプロトコルの実用的実装を評価し、低コストな運用と強固なセキュリティ保証を実証すること。
• プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへのスムーズな移行を可能にするために、安全なランダムビーコンをブートストラップすること。
• リーダー選挙を基盤的コンponentsとして分離し、厳密に分析することにより、インcentive メカニズムは将来の研究に委ねること。

提案手法

• Caucus は、分散型プロトコルによって生成されるパブリック・ランダムビーコンと、参加者がハッシュチェーンの先頭を通じてランダムネスをコミットするプライベート・ランダムネスを組み合わせる。
• 参加者は、H(h_i^rnd ⊕ R_k) < target_k というしきい値チェックに基づいてリーダーとして選ばれる。ここで R_k はパブリック・ビーコンの値である。
• リーダー選出の公平性と予測不可能性を確保するため、参加者の資格はパブリック・ランダムネスとプライベート・コミットメントの両方に依存する。これにより、グラインディング攻撃やDoS攻撃を防げる。
• オンチェーン／オフチェーンのハイブリッド設計によりコストを削減：ビーコンの初期化に、SCRAPE の投票ベースの変種を採用することで、オンチェーン版のコストを $271 から $79.8 に削減した。
• 追加のハッシュ検証あたりわずか 128 ガスでリーダー選挙が可能であり、最小限の検証が必要な状況では 1 回あたり $0.10 のコストに抑えられる。
• Caucus は Ethereum 上のスマートコントラクトとしてデプロイ可能であり、初期デプロイコストは約 $50、運用コストは 1 ラウンドあたり $0.10 である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン向けに、プルーフ・オブ・ワークに依存せず、公平性、継続性、予測不可能性を確保するリーダー選挙プロトコルを設計できるか？
• RQ2 パブリック・ランダムネスとプライベート・ランダムネスをどのように組み合わせることで、安全で低コストかつ協調最小限のリーダー選挙を実現できるか？
• RQ3 Ethereum 上で安全なランダムビーコンをリーダー選挙にデプロイする実用的コストはどの程度で、どのようにして最小限に抑えられるか？
• RQ4 Caucus は、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークのコンSENSUS への安全なブートストラップを可能にするか？
• RQ5 分散環境下で安全かつ効率的なリーダー選挙プロトコルを維持するための最小限の信頼仮定とは何か？

主な発見

• 最小限の検証が必要な状況では、Ethereum 上で Caucus はリーダー選挙あたりわずか $0.10 のコストに抑えられ、既存のソリューションと比較して顕著なコスト削減を実現した。
• 投票ベースの SCRAPE 変種を用いることで、ビーコン初期設定のコストを $80 未満に抑えることができる。これにより、完全にオンチェーンのビーコンの $271 のコストを回避できる。
• 参加者が事前に公開コミットを行うことで、リーダーが攻撃の対象とならないように、資格の公開が事前に可能であるため、DoS 攻撃のリスクが排除される。
• 参加者が事前にハッシュのプレインペイで提出する必要があるため、不正行為の後から検出が可能であり、コミットメントが公開されない場合には罰則が適用可能である。
• 最小限の協調性で、検証可能なランダムビーコンを確立することで、プルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへの安全で低コストな移行を可能にする。
• 初期コントラクトデプロイコストは約 $50 であり、少なくとも1名の誠実な参加者がビーコンに貢献するという仮定の下で、プロトコルは安全に保たれる。