[논문 리뷰] Babylon: Reusing Bitcoin Mining to Enhance Proof-of-Stake Security

Ertem Nusret Tas, David Tse외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 20.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

Babylon은 기존 비트코인의 작업증명(Proof-of-Work) 채굴 능력을 재사용하여 작업증명 기반 블록체인(Proof-of-Stake, PoS) 블록체인에 암호경제학적 보안 보장을 제공하는 새로운 블록체인 아키텍처를 제안한다. 특히, 슬래시 가능한 안전성과 라이브니스(safety and liveness) 보장을 한다. PoS 체인들이 융합 채굴 가능한 비트코인 호환 체인을 통해 체크포인트, 위법 증거, 검열 신고를 타임스탬프화함으로써, 추가적인 에너지 비용 없이도 기초적인 PoS 보안 문제인 장거리 공격, 검열, 부팅 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Bitcoin is the most secure blockchain in the world, supported by the immense hash power of its Proof-of-Work miners, but consumes huge amount of energy. Proof-of-Stake chains are energy-efficient, have fast finality and accountability, but face several fundamental security issues: susceptibility to non-slashable long-range safety attacks, non-slashable transaction censorship and stalling attacks and difficulty to bootstrap new PoS chains from low token valuation. We propose Babylon, a blockchain platform which combines the best of both worlds by reusing the immense Bitcoin hash power to enhance the security of PoS chains. Babylon provides a data-available timestamping service, securing PoS chains by allowing them to timestamp data-available block checkpoints, fraud proofs and censored transactions on Babylon. Babylon miners merge mine with Bitcoin and thus the platform has zero additional energy cost. The security of a Babylon-enhanced PoS protocol is formalized by a cryptoeconomic security theorem which shows slashable safety and liveness guarantees.

연구 동기 및 목표

• 작업증명 기반 블록체인(PoS)의 핵심 보안 한계, 즉 슬래시 불가능한 장거리 공격, 검열, 정지 공격 등을 해결하기 위해.
• 저가치 PoS 체인의 부팅 문제를 해결하기 위해 암호경제학적 보안을 내재 토큰의 가치 평가에서 분리함으로써.
• 외부의 비트코인 기반 신뢰를 활용하여 신뢰 최소화된 암호경제학적 보안 모델을 PoS 프로토콜에 제공하기 위해.
• 비트코인 호환 체인에서 융합 채굴된 타임스탬프 서비스를 통해 PoS 체인 무결성을 에너지 효율적으로 검증할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• Babylon은 비트코인과 융합 채굴되는 새로운 작업증명(PoW) 체인을 도입하여, 추가 에너지 비용 없이도 기존 비트코인 해시 파워를 재사용한다.
• PoS 체인은 Babylon에 데이터 가용성 체크포인트, 위법 증거, 검출 불가능한 검열 신고를 제출하여 타임스탬프화 및 검증을 받는다.
• 시스템은 슬래시 가능한 안전성과 라이브니스를 공식화하기 위해 암호경제학적 보안 정리를 사용하며, 이는 검증자가 악성 행동을 할 경우 처벌받을 수 있음을 보장한다.
• 검열 및 정지 공격은 Babylon에서 체계적인 증거를 통해 감지되며, 검증자가 적절한 시점에 블록을 제안하거나 투표하지 못할 경우 슬래시가 발생한다.
• 체크포인트 메커니즘은 $2k_c$-블록 지연을 통해 최종성(finality)을 보장하고 재생 공격을 방지한다.
• Tendermint 스타일의 합의 라운드는 Babylon 체인의 $k_w/2$-깊이 프리픽스 증거를 사용하여 모ulating되며, 정지 상태를 탐지하고 대응할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoS 블록체인이 신뢰할 수 있는 스테이크 다수나 외부 사회적 합의에 의존하지 않고도 슬래시 가능한 안전성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 PoS에 대해 안전성 및 라이브니스 위반에 대한 책임을 지는 암호경제학적 보안 모델을 구축할 수 있는가?
• RQ3 비트코인의 기존 채굴 능력을 재사용하여 추가 에너지 비용 없이 PoS 체인을 보호할 수 있는가?
• RQ4 안정적인 외부 타임스탬프 레이어를 통해 PoS 체인의 검열 및 정지 공격을 감지하고 처벌할 수 있는가?
• RQ5 낮은 초기 토큰 평가로도 안정적이고 고가치 PoS 애플리케이션을 부팅하기 위해 필요한 최소 신뢰 가정은 무엇인가?

주요 결과

• Babylon은 융합 채굴을 통해 비트코인의 해시 파워를 재사용하여 PoS 체인에 슬래시 가능한 안전성과 라이브니스를 제공함으로써 추가 에너지 비용 없이도 이를 달성한다.
• 프로토콜은 검증자가 프로토콜 위반(장거리 공격, 검열 포함) 시 처벌받을 수 있도록 보장하는 암호경제학적 보안 정리를 체계화한다.
• 검열 신고는 검열된 거래가 유효하고 기존의 공식 PoS 체인에 존재하지 않는지 확인함으로써 검증되며, 해당 조건을 만족할 경우 슬래시가 발생한다.
• 정지 공격은 $k_c$-블록 윈도우 동안 제안이나 투표가 누락되었는지 모니터링하여 감지되며, $2f+1$개 이상의 유효한 투표가 관찰되지 않을 경우 슬래시가 발생한다.
• 체크포인트 제출과 최종화 사이에 $2k_c$-블록 지연을 요구함으로써 재생 공격을 방지하며, 증거가 끝내기로 고정됨을 보장한다.
• 보안과 내재 토큰 평가를 분리함으로써 PoS 체인의 안정적 부팅을 지원하며, 낮은 최초 시가총액으로도 고가치 응용 프로그램을 구현할 수 있다.