[논문 리뷰] Proofs of Proof-of-Stake with Sublinear Complexity

Shresth Agrawal, Joachim Neu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 18.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 상태를 효율적이고 안전하게 검증할 수 있도록, PoS 에포크의 머클 트리와 분할 게임을 사용하는 새로운 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은 하위선형 부트스트랩링 복잡도를 갖추며, 기존 이더리움 라이트 클라이언트 대비 9배 빠른 부트스트랩링, 180배 적은 통신량, 30배 낮은 에너지 소비를 달성하여 자원이 제한된 디바이스에서도 신뢰할 수 있고 효율적인 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Popular Ethereum wallets (like MetaMask) entrust centralized infrastructure providers (e.g., Infura) to run the consensus client logic on their behalf. As a result, these wallets are light-weight and high-performant, but come with security risks. A malicious provider can mislead the wallet by faking payments and balances, or censoring transactions. On the other hand, light clients, which are not in popular use today, allow decentralization, but are concretely inefficient, often with asymptotically linear bootstrapping complexity. This poses a dilemma between decentralization and performance. We design, implement, and evaluate a new proof-of-stake (PoS) superlight client with concretely efficient and asymptotically logarithmic bootstrapping complexity. Our proofs of proof-of-stake (PoPoS) take the form of a Merkle tree of PoS epochs. The verifier enrolls the provers in a bisection game, in which honest provers are destined to win once an adversarial Merkle tree is challenged at sufficient depth. We provide an implementation for mainnet Ethereum: compared to the state-of-the-art light client construction of Ethereum, our client improves time-to-completion by 9x, communication by 180x, and energy usage by 30x (when bootstrapping after 10 years of consensus execution). As an important additional application, our construction can be used to realize trustless cross-chain bridges, in which the superlight client runs within a smart contract and takes the role of an on-chain verifier. We prove our construction is secure and show how to employ it for other PoS systems such as Cardano (with fully adaptive adversary), Algorand, and Snow White.

연구 동기 및 목표

• 전체 노드 오버헤드 없이 효율적이고 분산된 검증을 가능하게 하여, PoS 블록체인 클라이언트에서 성능과 보안 간의 상충 관계를 해결한다.
• 부분선형 통신 및 계산 복잡도를 갖춘 간결한 증명 기반의 PoS (PoPoS) 프로토콜을 설계하여, 장기간의 블록체인 이력 검증을 가능하게 한다.
• 메인넷 이더리움을 위한 기능 완비된 슈퍼라이트 클라이언트를 구현하고 평가하여, 기존의 라이트 클라이언트 설계 대비 속도, 통신, 에너지 효율성에서 뛰어난 성능을 달성한다.
• 표준 가정(충돌 저항성 해싱, 서명의 존재적 무작위성 불가능성) 하에 프로토콜의 보안성을 증명한다.
• 스마트 컨tracts 내에서 슈퍼라이트 클라이언트를 온체인 검증자로 배포하여, 외부 당사자에 대한 신뢰 없이도 신뢰할 수 없는 크로스체인 브리지 구축을 가능하게 한다.

제안 방법

• 프로토콜은 각 에포크에서 검증자 세트의 상태를 암시하는 루트를 포함하는 PoS 에포크 수기록의 머클 트리를 구성한다.
• 검증자는 분할 게임을 통해 증명자에게 도전한다: 정직한 증명자는 깊이가 증가하는 머클 트리의 올바른 분할을 정확히 식별함으로써 승리한다.
• 분할 게임은 타당성 보장을 한다: 악성 증명자는 서명을 위조하거나 해시 충돌을 깨는 것을 제외하고는 승리할 수 없다. 이는 계산적으로 불가능하다.
• 여러 증명자 간의 토너먼트 메커니즘을 활용하며, 검증자가 라운드 단위로 증명자들과 상호작용하여 정확한 상태 암호화를 수렴한다.
• 보안성은 완전성(정직한 증명자가 승리함), 타당성(적대적 당사자가 극도로 낮은 확률로 승리함), 그리고 표준 암호학적 가정 하에 상태 암호화 보안성에 의해 증명된다.
• 구현은 메인넷 이더리움을 대상으로 하며, 동기화 위원회 및 BLS 서명과 같은 기존 PoS 인fra구조와 통합된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PoS 블록체인 클라이언트가 강력한 보안 보장을 유지하면서도 하위선형 부트스트랩링 복잡도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 장기간의 블록체인 이력을 효율적으로 검증할 수 있도록, 간결한 증명 기반의 PoS 프로토콜을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 PoS 시스템에서 상태 검증을 위해 분할 게임과 머클 트리 아키텍처를 사용할 경우 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 제안된 프로토콜을 신뢰할 수 없는 크로스체인 브리지 구축에 안전하게 적용할 수 있는가?
• RQ5 실제로 기존의 라이트 클라이언트 설계 대비 시간, 통신, 에너지 소비 측면에서 프로토콜의 성능은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 슈퍼라이트 클라이언트는 최신 기술의 라이트 클라이언트 대비 10년 분량의 이더리움 합의 부트스트랩링을 9배 빠르게 완료한다.
• 통신 복잡도는 180배 감소하여 모바일 및 브라우저 기반 클라이언트의 대역폭 효율성을 크게 향상시킨다.
• 10년 이상의 부트스트랩링 시 30배 낮은 에너지 소비를 기록하며, 전력 소비는 4배 감소하고 완료 시간은 7배 빨라진다.
• 공식적인 전력 소비(정지 전력 제외)는 기준 라이트 클라이언트 대비 64배 감소하여 배터리 구동 장치에서도 구현 가능하게 한다.
• 표준 가정 하에 공식적으로 보안이 입증된 바, 충돌 저항성 해싱, 서명의 존재적 무작위성 불가능성, 안정적인 PoS 실행이 포함된다.
• 스마트 컨트랙트 내에서 슈퍼라이트 클라이언트를 온체인 검증자로 실행함으로써, 외부 당사자에 대한 신뢰 없이도 상태 무결성을 보장할 수 있도록 하여, 신뢰할 수 없는 크로스체인 브리지의 구현을 가능하게 한다.