[논문 리뷰] Fraud 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 22인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 블록체인에서 경량 클라이언트 보안을 향상시키기 위해 신뢰성 있는 다수의 블록 생성자에 의존하는 전통적인 가정을 버리고, 신뢰할 수 있는 데이터 재방송에 대한 더 약한 가정으로 대체하는 새로운 사기 및 데이터 가용성 증명 시스템을 제안한다. 사기 증명과 확률적 데이터 가용성 샘플링을 결합함으로써, 샤딩 또는 더 큰 블록을 통해 온체인 스케일링을 안전하게 가능하게 하며, 블록 생성자의 다수의 신뢰성 있는 참여에 의존하지 않고도 데이터 무결성과 유효성을 보장한다.

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

• 현재 SPV 설계에서 핵심적인 취약점인 신뢰성 있는 다수의 블록 생성자에 의존하는 것을 제거하는 것.
• 사기 증명을 통해 온체인에서 데이터 가용성과 유효성 검증을 가능하게 하여 블록체인의 보안성과 확장성을 향상시키는 것.
• 신뢰성 있는 블록 생성자 다수에 의존하는 대신, 최소한의 수의 신뢰성 있는 노드가 데이터를 재방송하도록 요구하는 것으로 신뢰 가정을 줄이는 것.
• 샤딩 또는 더 큰 블록을 통해 온체인 스케일링을 안전하게 지원하기 위해, 검증 가능한 증명을 통해 데이터 가용성과 정확성을 보장하는 것.

제안 방법

• 완전 검증 노드가 블록이 프로토콜 규칙을 위반한다는 증명을 생성하고, 이를 경량 클라이언트가 검증할 수 있도록 사기 증명 시스템을 설계하는 것.
• 모든 블록 데이터가 다운로드 가능하다는 것을 검증하기 위해 확률적 샘플링 기법을 통합하여, 전체 데이터를 수신하지 않고도 데이터 가용성을 보장하는 것.
• 기존의 신뢰성 있는 다수의 가정을, 최소한의 수의 노드가 신뢰성 있고 활발히 데이터를 재방송한다는 더 약한 가정으로 대체하는 것.
• 사기 증명과 데이터 가용성 증명을 결합하여, 악의적인 다수 조건에서도 강력한 보안 보장을 제공하는 것.
• 성능 및 보안 트레이드오프를 측정하기 위해 실제 블록체인 환경에서 시스템을 구현하고 평가하는 것.
• 경량 클라이언트가 효율적으로 검증할 수 있도록, 암호학적 기법을 사용해 증명이 간결하고 빠르게 검증되도록 보장하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사기 및 데이터 가용성 증명을 결합하여, 경량 클라이언트 검증에서 신뢰성 있는 다수의 가정을 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ2 확률적 샘플링을 어떻게 활용하여 전체 블록을 다운로드하지 않고도 효율적으로 데이터 가용성을 검증할 수 있는가?
• RQ3 경량 클라이언트 모델에서 보안을 확보하기 위해 필요한 최소한의 노드 신뢰성에 대한 가정은 무엇인가?
• RQ4 이 시스템은 샤딩 또는 더 큰 블록을 통해 온체인 스케일링을 안전하게 지원할 수 있는가? 동시에 강력한 보안 보장을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 신뢰성 있는 다수의 가정을, 데이터를 재방송하는 최소한의 수의 신뢰성 있는 노드가 존재한다는 더 약한 조건으로 성공적으로 대체한다.
• 확률적 데이터 가용성 샘플링은 최소한의 대역폭을 사용하면서도 고도의 신뢰성으로 블록 데이터의 가용성을 효율적으로 검증할 수 있도록 한다.
• 사기 증명을 통해, 블록 생성자의 다수가 악의적일 경우에도 경량 클라이언트가 잘못된 블록을 탐지하고 거부할 수 있다.
• 검증 가능한 증명을 통해 데이터 가용성과 유효성을 보장함으로써, 샤딩 또는 더 큰 블록을 통해 온체인 스케일링을 안전하게 지원한다.
• 블록체인 경량 클라이언트의 신뢰 가정을 크게 줄이며 강력한 보안 보장을 유지한다.
• 구현 결과는 실제 블록체인 환경에서의 실용성과 효율성을 입증한다.