[논문 리뷰] StakeCube: Combining Sharding and Proof-of-Stake to build Fork-free Secure Permissionless Distributed Ledgers

Antoine Durand, Emmanuelle Anceaume외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 11.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

StakeCube는 분할 기반 및 스테이크 기반 합의를 조합하여 고가용성과 안정성을 확보하는 허가 없는, 분할 없는 블록체인 프로토콜을 제안한다. 분산 해시 테이블(DHT)을 사용해 무작위로 할당된 색션에 유저를 배치하고, 스테이커 위원회 간의 검증 가능하고 바쿠라티안 합의를 구현하며, 유저를 주기적으로 이전하는 유도된 채굴 전략을 통해 이클립스 공격에 저항함으로써, 적응형 공격자 상황에서도 분할 발생 가능성이 극미한 프로토콜을 확보한다.

ABSTRACT

Our work focuses on the design of a scalable permissionless blockchain in the proof-of-stake setting. In particular, we use a distributed hash table as a building block to set up randomized shards, and then leverage the sharded architecture to validate blocks in an efficient manner. We combine verifiable Byzantine agreements run by shards of stakeholders and a block validation protocol to guarantee that forks occur with negligible probability. We impose induced churn to make shards robust to eclipse attacks, and we rely on the UTXO coin model to guarantee that any stakeholder action is securely verifiable by anyone. Our protocol works against adaptive adversary, and makes no synchrony assumption beyond what is required for the byzantine agreement.

연구 동기 및 목표

• 기존 스테이크 기반 블록체인의 확장성 한계를 해결하기 위해, 각 노드의 부담을 줄이는 분할 아키텍처를 도입한다.
• 증명된 작업 또는 동기화 가정을 초과하는 바쿠라티안 합의 외에 의존하지 않고, 허가 없는 환경에서 강력한 일致성과 분할 방지를 보장한다.
• 유도된 채굴과 동적 색션 재할당을 통해 예측 불가능하고 일시적인 사용자 자격 증명을 강제함으로써 이클립스 공격에 대비한다.
• UTXO 모델과 검증 가능한 무작위 색션 위원회 선정을 통해 보안성과 검증 가능성을 유지한다.
• 이전 블록의 무작위 시드에 기반한 색션 하위 위원회를 선택함으로써 효율적인 블록 생성을 달성하며, 탈중앙화와 공정성을 보장한다.

제안 방법

• 스테이크와 자격 증명을 기반으로 분산 해시 테이블(DHT)을 사용해 스테이커를 무작위로 변경 가능한 색션에 할당한다.
• 각 색션 내에서 검증 가능한 바쿠라티안 합의를 구현하여 블록 검증을 보장함으로써 일致성과 최종성 확보한다.
• 유저를 주기적으로 색션 간 이동시키는 유도된 채굴 전략을 도입하여, 공격자가 특정 색션을 이클립스하는 것을 불가능하게 한다.
• 이전 블록의 무작위 시드에 기반해 다음 블록 생성자를 결정하는 블록 검증 프로토콜을 적용하여 예측 불가능성을 확보한다.
• UTXO 모델을 사용해 스테이커의 행동을 공개적으로 효율적으로 검증하고, 중복 지출을 방지한다.
• 호프딩 부등식과 유니온 바운드를 사용해 색션 손상 확률를 수학적으로 제한함으로써 분할 발생 가능성을 극미한 수준으로 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 분할 아키텍처를 스테이크 기반 블록체인에 통합하여 확장성을 향상시키면서도 보안성과 일치성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 어떤 메커니즘이 적응형 공격자가 색션 구성이나 이클립스 공격을 조작하는 것을 방지할 수 있는가?
• RQ3 허가 없는 비동기 환경에서 분할이 불가능한 시스템을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 분할된 PoS 시스템에서 스테이크 집중도, 자격 증명 관리, 보안 파rameter 간의 상호 상충 관계는 무엇인가?
• RQ5 검증 가능한 무작위 선택, 유도된 채굴, DHT 기반 분할을 조합하면 동기화 가정을 초과하는 바쿠라티안 합의 외에 보다 강력한 보안 보장을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 색션의 손상 가능성이 기하급수적으로 감소하는 상한선을 수학적으로 증명함으로써, 분할 발생 가능성이 극미한 것으로 보장된다.
• 최소한 하나의 색션에 $\mu_{\text{shard}}S$ 이상의 악성 자격 증명이 포함될 확률은 $ e^{-(2(\mu_{\text{shard}}-\mu_{\text{cred}})^2S - \ln K)} $ 이하로 제한되며, 이는 색션 크기 $S$ 가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다.
• 보안 파rameter $\mu_{\text{shard}}$ 와 $s_{\min}$ 는 공격자의 스테이크 비율 $\mu$, 보안 파라미터 $\kappa$, 시스템 크기 $N$ 으로부터 유도되며, 적응형 공격자에 대한 강건성을 확보한다.
• M-제한 자격 증명의 사용은 공격자의 실질적 스테이크를 제한하여, 다수의 저가 UTXO를 보유함으로써 얻는 이점을 감소시킨다.
• 동기화 가정을 바쿠라티안 합의에 필요한 수준을 초과하지 않고도 보장함으로써, 비동기 네트워크 환경에서 실질적인 구현에 적합한 보안성을 확보한다.
• 이론적 분석을 통해 공격자가 총 스테이크의 일부분 $\mu$ 를 제어하더라도 $\mu_{\text{shard}} > \mu_{\text{cred}}$ 이고 $S$ 가 충분히 크다면 시스템이 여전히 보안성을 유지함을 확인한다.