[논문 리뷰] Homomorphic Sortition -- Secret Leader Election for PoS Blockchains

Luciano Freitas de Souza, Andrei Tonkikh외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 23.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 부분적으로 동기적인 지분 보증(PoS) 블록체인에서 안전하고 효율적인 리더 선출을 가능하게 하는, 유효기간이 없는 등록을 지원하는 비동기적 단일 비밀 리더 선거(SSLE) 프로토콜인 Homomorphic Sortition을 소개한다. 이는 임계값 완전 히든 암호화(ThFHE)를 활용하여 재등록이 필요 없이 병렬적이고 상태 없는 선거를 수행할 수 있게 해주며, 임의의 지분 분포를 지원하고 결정론적 종료 및 강력한 보안 보장을 제공한다.

ABSTRACT

In a single secret leader election protocol (SSLE), one of the system participants is chosen and, unless it decides to reveal itself, no other participant can identify it. SSLE has a great potential in protecting blockchain consensus protocols against denial of service (DoS) attacks. However, all existing solutions either make strong synchrony assumptions or have expiring registration, meaning that they require elected processes to re-register themselves before they can be re-elected again. This, in turn, prohibits the use of these SSLE protocols to elect leaders in partially-synchronous consensus protocols as there may be long periods of network instability when no new blocks are decided and, thus, no new registrations (or re-registrations) are possible. In this paper, we propose Homomorphic Sortition -- the first asynchronous SSLE protocol with non-expiring registration, making it the first solution compatible with partially-synchronous leader-based consensus protocols. Homomorphic Sortition relies on Threshold Fully Homomorphic Encryption (ThFHE) and is tailored to proof-of-stake (PoS) blockchains, with several important optimizations with respect to prior proposals. In particular, unlike most existing SSLE protocols, it works with arbitrary stake distributions and does not require a user with multiple coins to be registered multiple times. Our protocol is highly parallelizable and can be run completely off-chain after setup. Some blockchains require a sequence of rounds to have non-repeating leaders. We define a generalization of SSLE, called Secret Leader Permutation (SLP) in which the application can choose how many non-repeating leaders should be output in a sequence of rounds and we show how Homomorphic Sortition also solves this problem.

연구 동기 및 목표

• 만료 기간이 있는 등록을 요구하거나 동기성 가정에 의존하는 기존 SSLE 프로토콜의 한계를 해결하기 위해.
• 장기적인 네트워크 지연이 재등록을 방해할 수 있는 부분적으로 동기적인 합의 프로토콜과 호환되는 SSLE 프로토콜을 설계하기 위해.
• 다중 코인을 소지한 사용자가 여러 번 등록할 필요 없이도 임의의 지분 분포를 지원하기 위해.
• 높은 병렬성과 함께 효율적인 오프체인 실행을 가능하게 하기 위해.
• SSLE를 비재귀적 리더 순서를 지원하는 비밀 리더 순열(SLP)로 일반화하기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 임계값 완전 히든 암호화(ThFHE)를 사용하여 암호화된 지분 위에서 리더 선거 논리를 히든 방식으로 평가할 수 있도록 한다.
• 각 참가자는 공유된 공개 키를 사용해 자신의 지분을 암호화하고, 개별 지분을 드러내지 않은 채로 선거가 수행된다.
• 암호화된 지분 벡터에 대해 결정론적이고 검증 가능한 함수를 적용하여 리더를 선출하며, 선거가 완료된 후에만 출력이 복호화된다.
• 프로토콜은 유효기간이 없는 등록을 지원한다: 선출된 참가자는 재등록이 필요 없으며, 라운드 간 장기적인 참여가 가능하다.
• 시스템은 매우 높은 병렬성과 함께 설계되어 초기 설정 단계 이후에는 완전히 오프체인에서 실행될 수 있다.
• 비재귀적 리더 반복을 제약 조건으로 하는 여러 독립적인 선거를 조합하여 비밀 리더 순열(SLP)로 일반화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비동기 시스템에서 재등록이 필요 없이도 비밀 리더 선거 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 사용자가 여러 코인을 소지하고 있을 경우에도 다중 등록이 필요 없이도 임의의 지분 분포를 지원할 수 있는가?
• RQ3 ThFHE를 효율적으로 적용하여 확장 가능하고 오프체인에서 실행 가능한 PoS 블록체인을 위한 SSLE 프로토콜을 구축할 수 있는가?
• RQ4 SSLE를 비재귀적 리더 순서를 지원하는 안전하고 효율적인 방식으로 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ5 실제 블록체인 환경에서 ThFHE를 사용할 경우의 성능 및 보안 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• Homomorphic Sortition는 유효기간이 없는 등록을 지원하는 첫 번째 비동기 SSLE 프로토콜로, 부분적으로 동기적인 합의 프로토콜과 호환된다.
• 사용자가 여러 코인을 소지하고 있어도 다중 등록이 필요 없이도 임의의 지분 분포를 지원한다.
• 선거의 완전한 오프체인 실행이 가능하며, 높은 병렬성과 선출된 리더의 상태 유지가 필요 없도록 한다.
• 프로토콜은 결정론적 종료를 달성하고, 유한한 악성 지분을 가정할 경우 강력한 보안 보장을 제공한다.
• 저자들은 그들의 접근 방식이 비밀 리더 순열(SLP)으로 자연스럽게 일반화됨을 입증한다. 이는 비재귀적 리더 순서를 지원한다.
• 성능 평가는 진행 중이지만, 설계는 최신의 ThFHE 프로토콜과 SIMD 우아한 산술 회로와의 호환성을 고려해 최적화되어 있다.