[논문 리뷰] Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities

Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 25인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 악성 다수를 가진 블록체인에서도 경량 클라이언트가 거의 전노드 수준의 보안을 달성할 수 있도록 하는 혁신적인 위조 및 데이터 가용성 증명 시스템을 제안한다. 정직한 전노드에서 생성한 위조 증명과 확률적 데이터 가용성 샘플링을 조합함으로써, 정직한 다수 가정을 제거하여 분할 또는 고처리량 블록체인 시스템의 확장성과 보안을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Light clients, also known as Simple Payment Verification (SPV) clients, are nodes which only download a small portion of the data in a blockchain, and use indirect means to verify that a given chain is valid. Typically, instead of validating block data, they assume that the chain favoured by the blockchain's consensus algorithm only contains valid blocks, and that the majority of block producers are honest. By allowing such clients to receive fraud proofs generated by fully validating nodes that show that a block violates the protocol rules, and combining this with probabilistic sampling techniques to verify that all of the data in a block actually is available to be downloaded, we can eliminate the honest-majority assumption, and instead make much weaker assumptions about a minimum number of honest nodes that rebroadcast data. Fraud and data availability proofs are key to enabling on-chain scaling of blockchains (e.g. via sharding or bigger blocks) while maintaining a strong assurance that on-chain data is available and valid. We present, implement, and evaluate a novel fraud and data availability proof system.

연구 동기 및 목표

• 합의 참가자의 다수 부분이 악성일 수 있는 블록체인에서 경량 클라이언트의 보안 한계를 해결하기 위해.
• 정직한 다수 가정 없이도 블록 유효성 검증을 가능하게 하기 위해, 경량 클라이언트가 정직한 전노드가 생성한 위조 증명을 검증할 수 있도록 하기 위해.
• 확률적 샘플링과 에러 복구 코드를 활용해 데이터 가용성을 보장하며, 누락된 데이터를 복구하기 위해 최소한의 정직한 경량 클라이언트가 필요하도록 하기 위해.
• 모든 데이터를 검증하지 않는 단일 노드가 존재하는 분할 아키텍처와 같은 확장 가능한 블록체인 설계를 지원하기 위해.
• 실제 구현이 가능한 프레임워크를 제공하기 위해 위조 증명과 데이터 가용성 증명을 통합한 완전한, 실행 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 에러 복구 코드를 사용해 블록 데이터를 조각으로 나누어, 높은 신뢰도로 데이터 가용성을 검증할 수 있는 확률적 샘플링을 가능하게 하기 위해.
• 정직한 전노드가 악성 블록의 무효성을 증명하는 위조 증명을 생성하고, 이를 경량 클라이언트가 검증할 수 있도록 하는 위조 증명 시스템을 구현하기 위해.
• 에러 복구된 데이터의 머클 루트를 다차원 리드-소โล몬 코드에서 랜덤 라인 선택의 엔트로피 원천으로 사용해 국소 복원을 가능하게 하기 위해.
• 작은 수의 샘플링 포인트만으로도 데이터의 정확성을 확률적으로 검증할 수 있는 증명-근접성 메커니즘을 설계하기 위해.
• 위조 증명과 데이터 가용성 증명을 통합하여 온체인 데이터의 유효성과 가용성을 모두 보장하기 위해.
• 빠른 푸리에 변환을 사용해 O(n log n) 시간 복잡도로 에러 복구 코드를 효율적으로 구성하여 실용적인 블록체인 구현을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 악성 다수 존재하더라도 경량 클라이언트가 악성 다수 존재하더라도 거의 전노드 수준의 보안 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전체 다운로드 없이도 확률적 샘플링과 암호학적 증명만으로 데이터 가용성을 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ3 단일의 일반 목적의 위조 증명 메커니즘이 블록 무효성에 대한 다수의 사례별 증명을 대체할 수 있는가?
• RQ4 경량 클라이언트 모델에서 보안을 유지하기 위해 필요한 정직한 노드에 대한 최소한의 가정은 무엇인가?
• RQ5 분할 블록체인 아키텍처에서 위조 및 가용성 증명의 효율성과 확장성을 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 적어도 하나의 정직한 전노드가 존재하는 한, 악성 블록을 위조 증명을 통해 경량 클라이언트가 탐지할 수 있다.
• 에러 복구된 조각의 확률적 샘플링을 통해 데이터 가용성이 보장되며, 복구에 기여하는 정직한 경량 클라이언트의 수에 기반한 보안 보장이 이루어진다.
• 다차원 리드-소로몬 코드의 사용은 효율적인 국소 복원과 증명-근접성 검증을 가능하게 하여 고비용 계산에 대한 의존도를 감소시킨다.
• 빠른 푸리에 변환을 활용해 O(n log n) 시간 복잡도로 에러 복구 코드를 구성함으로써, 대규모 블록체인에 실용적으로 적용 가능해졌다.
• 경량 클라이언트가 전체 데이터 가용성 검사를 수행할 필요 없이, 대역폭과 스토리지 요구량을 줄이면서도 강력한 보안을 유지할 수 있도록 했다.
• 프레임워크는 분할 아키텍처와 호환되며, 잘못되거나 가용하지 않은 데이터가 경량 클라이언트에 의해 탐지되고 거부될 수 있도록 하여 온체인 확장성을 지원한다.