[논문 리뷰] Interactive Proof-of-stake

Alexander Chepurnoy|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 03.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 8인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 단일 블록 생성 방식을 다수의 블록 생성자에 관여하는 가중치가 부여된 로또 방식으로 대체하는 순수 스테이크 기반 합의 프로토콜인 인터랙티브 스테이크 기반 증명(IPoS)을 제안한다. 조정 가능한 변수를 최소화하고 명시적 타임스탬프를 제거함으로써, Nxt나 NeuCoin보다도 더 효과적으로 그라인딩 공격, 비공개 포크 공격, 뇌물 공격에 저항할 수 있으며, 비공개 블록체인과 하이브리드 블록체인에 더 높은 보안성을 제공한다.

ABSTRACT

The paper examines decentralized cryptocurrency protocols that are based on the use of internal tokens as identity tools. An analysis of security problems with popular Proof-of-stake consensus protocols is provided. A new protocol, Interactive Proof-of-stake, is proposed. The main ideas of the protocol are to reduce a number of variables a miner can iterate over to a minimum and also to bring a communication into block generation. The protocol is checked against known attacks. It is shown that Interactive Proof-of-stake is more secure than current pure Proof-of-stake protocols.

연구 동기 및 목표

• 기존 스테이크 기반 합의 프로토콜인 Nxt와 NeuCoin의 심각한 보안 취약점을 해결하기 위해.
• 블록 생성 과정에서 공격자가 조작할 수 있는 변수의 수를 줄이며, 특히 타임스탬프와 공개 키를 중심으로 한다.
• 분산 네트워크에서 자기 이익을 위한 마이닝 및 비공개 포크 공격의 유혹 요소를 최소화하는 프로토콜을 설계하기 위해.
• 비공개 블록체인과 하이브리드 작업증명/스테이크 기반 시스템에 적합한 안정적이고 확장 가능한 대안을 제안하기 위해.
• 기존 알려진 공격, 즉 그라인딩 공격, 아무것도 없는 스테이크 공격, 뇌물 공격에 대한 프로토콜의 저항력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 각 블록마다 다수의 스테이크홀더가 블록 생성자로 선정되는 가중치가 부여된 로또 메커니즘을 도입한다.
• 명시적 타임스탬프와 시간 지연을 제거하고, 이전 블록 데이터와 공개 키로부터 유도된 결정론적 블록 시드로 대체한다.
• 이전 블록의 시드와 세 명의 티켓 생성자의 공개 키를 조합하여 해시를 통해 생성된 블록 시드를 사용한다: $ g = \text{hash}(g_{\text{prev}} \cup k_{\text{pub}}) $.
• 블록 생성 확률을 제어하기 위해 동적 파라미터 $ R $ 를 활용하며, 비공개 포크에 대응하기 위해 런타임에서의 적응 가능성을 고려한다.
• 노드가 오직 최선의 체인에만 기여하는 블록트리 구조를 구현함으로써, 다중 체인 마이닝을 억제한다.
• 탈중앙화된 투표와 외부 랜덤 비콘(예: 작업증명에서 유래)을 활용해 체인 선택을 강제하고 깊은 포크를 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공격자가 조작할 수 있는 변수의 수를 줄임으로써 공격 표면을 최소화할 수 있는 스테이크 기반 합의 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 다수의 블록 생성자를 포함하는 가중치가 부여된 로또 메커니즘은 비공개 포크 공격과 아무것도 없는 스테이크 공격에 대해 어떻게 저항력을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 타임스탬프나 거래 매개변수 대신 공개 키에만 반복을 제한함으로써 그라인딩 공격은 어느 정도 완화될 수 있는가?
• RQ4 작업증명 블록을 랜덤 비콘으로 사용하는 하이브리드 프로토콜은 안정적인 랜덤 시드를 생성하고 체인 선택을 강제하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 외부 신뢰에 의존하지 않고도 뇌물 공격에 대한 동업자 간의 협력 유혹을 줄일 수 있는 스테이크 기반 합의 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• IPoS는 최소 50회의 확정이 요구되는 조건 하에 공격자가 온라인 스테이크의 1/3 이하를 제어하더라도 비공개 포크 공격에 저항한다.
• 뇌물 공격은 훨씬 더 어렵게 되며, 공격에 실패할 경우 티켓 보상이 상실되는 등 더 많은 당사자 간의 협력 필요성이 발생한다.
• 그라인딩 공격은 타임스탬프나 출력 인덱스가 아닌 공개 키에만 반복이 제한되어 있어, Nxt나 NeuCoin에서처럼 타임스탬프나 출력 인덱스까지 조작 가능한 것보다는 더 이행 가능성이 낮다.
• 명시적 시간 지연과 타임스탬프를 제거함으로써 공격 벡터가 감소하고 시스템의 안정성이 향상된다.
• 블록트리 모델은 다중 체인 마이닝을 억제하며, 단일 마이너가 여러 체인에 기여해도 이득을 보지 못하게 한다.
• 작업증명 블록을 랜덤 비콘으로 사용하는 하이브리드 설계는 그라인딩 공격을 방지하고 체인 선택을 강제할 수 있으며, 다수의 스테이크홀더가 참여하는 비트코인-NG의 마이크로블록 모델을 모방한다.