[논문 리뷰] Permissionless Consensus

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 28.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 허가되지 않은 환경에서 블록체인 합의 프로토콜을 분석하기 위한 형식적 프레임워크를 제안하며, 완전히 허가되지 않은, 동적으로 가용성 있는, 준허가되지 않은 세 수준의 허가되지 않은 상태를 구분한다. 이는 완전히 허가되지 않은 환경에서 결정론적 비잔티노스 합의에서 무한한 비종료가 발생할 수 있음을 증명함으로써, 탈중앙화된 합의 설계의 본질적 한계를 드러낸다.

ABSTRACT

Blockchain protocols typically aspire to run in the permissionless setting, in which nodes are owned and operated by a large number of diverse and unknown entities, with each node free to start or stop running the protocol at any time. This setting is more challenging than the traditional permissioned setting, in which the set of nodes that will be running the protocol is fixed and known at the time of protocol deployment. The goal of this paper is to provide a framework for reasoning about the rich design space of blockchain protocols and their capabilities and limitations in the permissionless setting. We propose a hierarchy of settings with different "degrees of permissionlessness", specified by the amount of knowledge that a protocol has about the current participants: These are the fully permissionless, dynamically available and quasi-permissionless settings. The paper also proves several results illustrating the utility of our analysis framework for reasoning about blockchain protocols in these settings. For example: (1) In the fully permissionless setting, even with synchronous communication and with severe restrictions on the total size of the Byzantine players, every deterministic protocol for Byzantine agreement has a non-terminating execution. (2) In the dynamically available and partially synchronous setting, no protocol can solve the Byzantine agreement problem with high probability, even if there are no Byzantine players at all. (3) In the quasi-permissionless and partially synchronous setting, by contrast, assuming a bound on the total size of the Byzantine players, there is a deterministic protocol solving state machine replication. (4) In the quasi-permissionless and synchronous setting, every proof-of-stake state machine replication protocol that uses only time-malleable cryptographic primitives is vulnerable to long-range attacks.

연구 동기 및 목표

• 참가자가 알려지지 않고 동적으로 변화하며, 심지어 시빌 제어 가능할 수 있는 허가되지 않은 환경에서 블록체인 합의 프로토콜의 설계 공간을 형식화하고 분석하는 것.
• 현재 참가자에 대한 프로토콜 지식에 기반해 세 가지 구분 가능한 허가되지 않은 수준—완전히 허가되지 않은, 동적으로 가용성 있는, 준허가되지 않은—을 식별하고 구분하는 것.
• 각 설정에서 합의에 대한 기초적인 불가능성 및 가능성 결과를 수립하는 것—특히 비잔티노스 합의와 상태 기계 복제에 중점을 두어.
• 비잔티노스 장애가 없는 경우에도 특정 허가되지 않은 설정에서는 일정성 및 반응성 보장을 이룰 수 없다는 것을 보여주는 것.
• 준허가되지 않은 설정에서 장기 범위 공격 위협 하에 시간에 따라 변형 가능한 암호 기반 원리의 한계를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 프로토콜이 활성 참가자에 대해 알고 있는 지식에 기반해 세 가지 허가되지 않은 설정의 계층을 제안함: 완전히 허가되지 않은(지식 없음), 동적으로 가용성 있는(식별자 초과를 안다), 준허가되지 않은(현재 참가자가 정확히 알려진 식별자이다).
• 프로토콜 인스턴스 간의 불가지향성 추론을 사용해 악성 행동을 시뮬레이션하고 특정 가정 하에 일정성 위반을 입증함.
• 게임 이론적 및 암호 기반 추론을 활용해 비잔티노스 행동을 모델링함—전략적 비활동 및 충돌하는 거래 확인 포함.
• 확률적 분석을 사용해 실패 확률을 근사하고, 일정성 위반을 관련 프로토콜 인스턴스의 지속 가능성 및 반응성 실패와 연결함.
• 일관성 위반이 특정 조건 하에 높은 확률로 피할 수 없음을 보여주기 위해 악성 실행 시나리오(예: I1에서 I5)를 구성함.
• 상태와 거래 집합에 대해 상대적인 '유효성' 개념을 사용하고, 시간 슬롯을 활용해 프로토콜 인스턴스 간 확인 진행 상황을 추적함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 허가되지 않은 설정에서 비잔티노스 합의의 결정론적 프로토콜은 비잔티노스 플레이어가 제한된 조건이라도 무한한 실행이 존재해 정상 플레이어가 종료하지 않는가?
• RQ2 비잔티노스 플레이어가 없는 동적으로 가용성 있는 부분적으로 비동기 설정에서 합의 프로토콜이 고확률 일관성과 지속 가능성을 보장할 수 있는가?
• RQ3 비잔티노스 영향력이 제한된 준허가되지 않은 부분적으로 비동기 설정에서 상태 기계 복제를 위한 결정론적 스테이크 증명 프로토콜이 존재하는가?
• RQ4 비잔티노스 장애가 없는 동적으로 가용성 있는 인증된 비동기 설정에서 최적 반응성 상태 기계 복제 프로토콜이 일관성과 지속 가능성을 동시에 보장할 수 있는가?
• RQ5 준허가되지 않은 비동기 설정에서 시간에 따라 변형 가능한 원리에만 의존하는 모든 스테이크 증명 상태 기계 복제 프로토콜은 장기 범위 공격에 취약한가?

주요 결과

• 완전히 허가되지 않은 설정에서는 비잔티노스 플레이어에 대한 엄격한 제약 조건이 존재하더라도, 모든 결정론적 비잔티노스 합의 프로토콜이 정상 플레이어가 종료하지 않는 무한 실행을 가짐.
• 동적으로 가용성 있는 부분적으로 비동기 설정에서는 비잔티노스 합의를 고확률로 해결할 수 있는 프로토콜이 존재하지 않음—비잔티노스 플레이어가 없더라도 마찬가지임.
• 준허가되지 않은 부분적으로 비동기 설정에서는 비잔티노스 플레이어 수에 적절한 제약 조건이 존재할 경우 결정론적 스테이크 증명 프로토콜이 상태 기계 복제를 위해 존재함.
• 동적으로 가용성 있는 인증된 비동기 설정에서는 최적 반응성 상태 기계 복제 프로토콜이 비잔티노스 플레이어가 없더라도 일관성과 지속 가능성을 동시에 보장할 수 없음.
• 준허가되지 않은 비동기 설정에서는 시간에 따라 변형 가능한 암호 기반 원리만을 사용하는 모든 스테이크 증명 프로토콜이 장기 범위 공격에 취약함.
• 확률적 프로토콜의 경우 일관성 위반이 최소 $1 - 4\bar{\rho}$ 이상의 확률로 발생하며, $\bar{\rho} < 1/5$ 이므로 이는 모순을 초래함—이는 특정 악성 시나리오에서 일관성이 고확률로 보장될 수 없다는 것을 증명함.