[논문 리뷰] Betting on Blockchain Consensus with Fantomette

Sarah Azouvi, Patrick McCorry외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 47인용 수 15

한 줄 요약

Fantômette는 안정적인 리더 선출 프로토콜인 Caucus와 보안 예치금 및 탈중앙화된 체크포인팅을 활용한 게임 이론적 인cent리브 메커니즘을 통합한 프로토콜로서, 최종성(finality)을 달성하는 프로토콜이다. 반복적 공격자와 이성적 공격자에 대한 형식적 보안 증명을 제공하며, 최대 1/3의 참여자가 손상된 반응적인 환경에서 수렴성, 체인 품질, 내구성을 확보한다.

ABSTRACT

Blockchain-based consensus protocols present the opportunity to develop new protocols, due to their novel requirements of open participation and explicit incentivization of participants. To address the first requirement, it is necessary to consider the leader election inherent in consensus protocols, which can be difficult to scale to a large and untrusted set of participants. To address the second, it is important to consider ways to provide incentivization without relying on the resource-intensive proofs-of-work used in Bitcoin. In this paper, we propose a secure leader election protocol, Caucus; we next fit this protocol into a broader blockchain-based consensus protocol, Fantomette, that provides game-theoretic guarantees in addition to traditional blockchain security properties. Fantomette is the first proof-of-stake protocol to give formal game-theoretic proofs of security in the presence of non-rational players.

연구 동기 및 목표

• 오픈형, 허가 없는 블록체인에서의 확장성 및 인cent리브 문제를 해결하기 위해 안정적이고 확장 가능한 리더 선출 프로토콜을 설계한다.
• 이성적 공격자와 비잔티노스 공격자를 모두 고려한 프로토콜에서 형식적 게임 이론적 보안 증명을 가능하게 한다.
• 보안 예치금을 활용한 명시적 제재 메커니즘과 탈중앙화된 체크포인팅을 통해 최종성과 책임성을 달성한다.
• 높은 에너지 소비와 결정적 최종성의 부재로 인해 문제가 되는 작업증명(Proof-of-Work)의 한계를 극복하면서도 강력한 보안 보장을 유지한다.
• 비용이 들지 않는 블록 생성 환경에서의 비정상 행동을 효과적으로 억제하기 위해 명시적 경제적 제재와 blockDAG를 통한 블록 의존성의 가시성을 입증한다.

제안 방법

• 행동이 발생할 때만 리더가 노출되는 프로토콜인 Caucus를 설계하여 사전에 Sybil 공격를 방지하고, 신뢰할 수 없는 대규모 참가자 집단에서도 확장성을 확보한다.
• blockDAG 아키텍처를 사용하여 참가자의 의사결정 과정을 폭 드러내어 부정행위 탐지 및 보안 예치금을 통한 공정한 제재를 가능하게 한다.
• 부정행위를 한 참가자는 보안 예치금의 일부를 상실하게 하는 제재 메커니즘을 구현하여 프로토콜을 준수할 경제적 유인을 강화한다.
• 식별 가능한 참가자와 예치금 기반의 약속을 기반으로 한 탈중앙화된 체크포인팅 시스템을 도입하여 신뢰 제삼자 없이 최종성을 달성한다.
• 이성적 플레이어는 기대 수익을 최대화하고, 비잔티노스 플레이어는 체인 품질을 손상시키고 애호적 참가자를 해치는 것을 목표로 하는 보안 모델을 형식화한다.
• 매개변수 $k=3$, $c=1$, $π=6$, $×=10$, 初始 예치금 0으로 설정하여 음수 수익도 허용하는 조건에서 Fantômette를 시뮬레이션하여 수렴성, 체인 품질, 내구성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오픈형 블록체인에서 효율적으로 확장되며 Sybil 공격를 방지할 수 있는 리더 선출 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 작업증명 기반 블록체인과 유사한 보안 보장을 확보하면서도 이성적 공격자와 비잔티노스 공격자에 대비한 형식적 게임 이론적 보안 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ3 작업증명에 의존하지 않고도 탈중앙화된 허가 없는 블록체인에서 최종성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 비용이 들지 않는 블록 생성 환경에서 비정상 행동을 효과적으로 억제할 수 있는 경제적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 최대 1/3의 참가자가 악성일 경우, 체인 품질과 수렴성이 얼마나 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 최대 49명의 비잔티노스 참가자가 있는 시뮬레이션에서 관측된 가장 긴 포크 길이는 12개 블록이었으며, 이는 프로토콜의 수렴성 성질을 뒷받침한다.
• 체인 품질는 $\alpha = 0.024$로 측정되었으며, 이는 공격자가 그라운딩 공격를 통해 예상보다 2.4% 더 많은 블록을 생성할 수 있음을 의미하며, 이는 이론적 한계와 일치한다.
• 이성적 참가자들이 최대 1/3까지 협력할 경우, 협력하지 않을 때의 수익 3.5 대비 3.8로 수익이 증가하여 $\epsilon$-내구성($\epsilon = 1.086$)을 입증한다.
• 비잔티노스 참가자가 최대 25%일 경우 애호적 참가자의 수익은 안정적이었지만, 1/4를 초과하는 협력 시에는 감소함을 확인하여 큰 비잔티노스 협력자 집단이 미치는 피해가 제한적임을 시사한다.
• 비잔티노스 협력자 집단의 수익은 애호적 참가자보다 더 크게 감소함을 확인하여 악성 행동이 경제적으로 제재됨을 보여준다.
• 식별 가능한 참가자와 보안 예치금을 기반으로 한 탈중앙화된 체크포인팅을 통해 프로토콜가 최종성을 달성하며, 이는 프로토콜 기반 블록체인에서의 신규 기능이다.