[논문 리뷰] A Tendermint Light Client

Sean Braithwaite, Ethan Buchman외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

Electrochemical sensors and biosensors참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Tendermint 블록체인을 위한 형식화된 라이트 클라이언트 프로토콜을 제안하며, 최소한의 데이터와 계산 자원으로 블록체인 상태를 효율적이고 안전하게 검증할 수 있도록 한다. 암호학적 증명과 동적 검증자 세트 추적 메커니즘을 활용하여, Tendermint 보안 모델 하에서 안전성과 활성화를 보장하면서도 검증 오버헤드를 크게 감소시킨다. 이 프로토콜은 TLA+와 APALACHE를 사용하여 형식적으로 검증되었다.

ABSTRACT

In Tendermint blockchains, the proof-of-stake mechanism and the underlying consensus algorithm entail a dynamic fault model that implies that the active validators (nodes that sign blocks) may change over time, and a quorum of these validators is assumed to be correct only for a limited period of time (called trusting period). The changes of the validator set are under control of the blockchain application, and are committed in every block. In order to check what is the state of the blockchain application at some height h, one needs to know the validator set at that height so that one can verify the corresponding digital signatures and hashes. A naive way of determining the validator set for height h requires one to: (i) download all blocks before h, (ii) verify blocks by checking digital signatures and hashes and (iii) execute the corresponding transactions so the changes in the validator sets are reproduced. This can potentially be very slow and computationally and data intensive. In this paper we formalize the dynamic fault model imposed by Tendermint, and describe a light client protocol that allows to check the state of the blockchain application that, in realistic settings, reduces significantly the amount of data needed to be downloaded, and the number of required computationally expensive signature verification operations. In addition to mathematical proofs, we have formalized the light client protocol in TLA+, and checked safety and liveness with the APALACHE model checker.

연구 동기 및 목표

• 검증자 세트가 동적으로 변화하고 직접 검증자에 접근이 제한되는 Tendermint 환경에서 블록체인 상태를 효율적으로 검증하는 문제를 해결하기 위해.
• 제한된 환경(예: 모바일 디바이스)에 적합한, 데이터 전송과 비용이 많이 드는 서명 검증을 최소화하는 라이트 클라이언트 프로토콜을 설계하기 위해.
• 일시적인 검증자 세트 변화와 시간에 따라 변화하는 신뢰 가정을 포함한 Tendermint의 동적 장애 모델을 형식적으로 모델링하기 위해.
• TLA+와 APALACHE 모델 체커를 사용하여 형식적 검증을 통해 라이트 클라이언트 프로토콜의 안전성과 활성화를 보장하기 위해.
• 동일한 형식적 프레임워크 내에서 향후 확장(예: 포크 탐지 및 검증자 책임성)을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 블록 커밋을 메르클 루트와 검증자 세트 변화를 통해 연결하는 순차적 검증 메커니즘을 사용하여, 한 블록에서 다음 블록으로 신뢰를 전파할 수 있도록 한다.
• 검증자 세트가 변화하지 않을 경우 여러 블록을 건너뛸 수 있는 스킴핑 검증 최적화를 도입하여, 안정된 기간 동안 검증 단계를 O(n)에서 O(1)로 감소시킨다.
• 암호학적 증명에 의존하며, 각 블록은 현재 검증자 세트의 투표력의 2/3 이상에 해당하는 서명을 포함한 커밋을 포함한다. 이는 메르클 루트와 해시 체인을 사용하여 검증할 수 있다.
• 동적 장애 모델은 시간 제한이 있는 쿠레이트 정확성과 함께 인증된 바쿠라스티안 모델로 형식화되며, 검증자 세트는 애플리케이션 로직에 따라 변화한다.
• 프로토콜 전반을 TLA+로 형식적으로 명세화하여 복잡한 상호작용과 장애 시나리오를 철저히 모델링할 수 있도록 한다.
• 안전성과 활성화 성질은 APALACHE 모델 체커를 사용하여 형식적으로 검증되었으며, 최대 7명의 검증자까지의 소규모 시스템에서 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜냐하면 악성 완전 노드에서 오는 요청에도 불구하고 블록체인 상태를 검증할 수 있도록 보장하기 때문이다.
• RQ2 어떻게 라이트 클라이언트가 Tendermint 블록체인 상태를 모든 이전 블록을 다운로드하지 않고도 효율적으로 검증할 수 있는가?
• RQ3 어떤 형식적 모델이 Tendermint의 바쿠라스티안 장애 모델에서 동적 검증자 세트 변화와 신뢰 가정을 포괄하는가?
• RQ4 실제 네트워크 조건 하에서 라이트 클라이언트 프로토콜이 안전성(잘못된 블록 수락 방지)과 활성화(최종 동기화 보장)를 확보할 수 있는가?
• RQ5 특히 바쿠라스티안 장애와 동적 검증자 세트 하에서, 모델 체킹을 사용하여 프로토콜의 정확성을 어떻게 형식적으로 검증할 수 있는가?
• RQ6 검증자 세트가 안정된 상태일 경우 스킴핑 검증 최적화를 통해 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 라이트 클라이언트 프로토콜은 Tendermint 보안 모델 하에서 안전성을 보장한다. 즉, 악성 완전 노드로부터 오는 요청이라도 잘못된 블록을 수락하지 않는다.
• 라이트 클라이언트가 적어도 하나의 정상적인 완전 노드와 통신한다면 활성화가 보장되어 최종적으로 체인과 동기화된다.
• 검증자 세트가 변화하지 않을 경우 스킴핑 검증 최적화로 인해 검증 비용이 O(n)에서 O(1)로 감소하여 성능 향상이著명하다.
• TLA+와 APALACHE를 통한 형식적 검증을 통해 바쿠라스티안 행동과 검증자 세트 전환을 포함한 다양한 장애 시나리오에서 프로토콜의 정확성이 확인되었다.
• 각 블록의 NextValidatorSet 필드에 의존하여, 연속된 세트 간에 공통 요소가 없더라도 동적 검증자 세트 변화를 지원한다.
• 모델 체커는 최대 7명의 검증자까지의 시스템에서 프로토콜을 성공적으로 검증했으며, 임의의 검증자 수를 위한 파rametric 검증으로의 확장을 계획 중이다.