[논문 리뷰] Superlight -- A Permissionless, Light-client Only Blockchain with Self-Contained Proofs and BLS Signatures

Roman Blum, Thomas Bocek|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 08.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

Superlight는 블록체인 데이터의 증가로 인한 스케일링 문제를 해결하기 위해 자가 포함 증명(SCPs)과 BLS 서명을 사용하는 허가 없이도 작동하는 경량 클라이언트 전용 블록체인을 제안한다. 이는 블록 헤더만으로도 거래를 검증할 수 있도록 하여 전체 블록체인을 저장할 필요 없이 저장 요구량을 크게 줄이고, 동시에 보안성과 탈중앙화를 유지한다. 다만 BLS 서명과 완벽한 블룸 필터로 인한 계산 오버헤드 증가를 감수한다.

ABSTRACT

Blockchain protocols are based on a distributed database where stored data is guaranteed to be immutable. The requirement that all nodes have to maintain their own local copy of the database ensures security while consensus mechanisms help deciding which data gets added to the database and keep powerful adversaries from derailing the system. However, since the database that forms the foundation of a blockchain is a continuously growing list of blocks, scalability is an inherent problem of this technology. Some public blockchains need a few 100 GB to Terabytes of storage. In this work, we present the concept Superlight with self-contained proofs, which is designed to improve scalability of a public blockchain, while preserving security and decentralization. Instead of all nodes having a local copy of the whole blockchain to verify a transaction, nodes can derive the validity of a transaction by only using block headers. To keep the block headers compact, BLS signatures are used to combine signatures. We provide a definition of SCPs and show the required steps of a client to create a proof that is accepted by other nodes for transferring funds. The advantage of such a light-client-only blockchain is the lower storage requirement, while the drawback is an increased computational complexity due to BLS signatures, limited use-cases due to lack of a global state, and the requirement for an interactive protocol between sender, receiver, and miner to create a transaction.

연구 동기 및 목표

• growing blockchain data의 전체 노드 저장 요구로 인한 공개 블록체인의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 모든 참가자가 경량 클라이언트로 운영될 수 있는 허가 없이도 작동하는 블록체인을 가능하게 하여 노드당 저장 요구량을 감소시키기 위해.
• 거래 유효성 검증이 전체 블록체인 이력이 아닌 블록 헤더와 자가 포함 증명만으로도 가능하도록 하는 시스템을 설계하기 위해.
• BLS 서명과 완벽한 블룸 필터로 인한 계산 비용 증가와 저장 요구량 감소 사이의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 각 거래 내부에 거래 유효성 증명을 통합하는 자가 포함 증명(SCPs)을 사용하여, 블록 헤더만으로도 검증이 가능하도록 한다.
• BLS 서명을 사용해 다수의 서명을 하나의 압축된 서명으로 집계함으로써 블록 헤더 크기를 줄이고 효율적인 검증을 가능하게 한다.
• 시스템 내 모든 알려진 주소를 나타내기 위해 완벽한 블룸 필터를 구성하며, 참여하는 주소 집합만 저장하여 헤더 부풀림을 최소화한다.
• 블록 헤더에는 완벽한 블룸 필터, BLS 서명 집합, 모든 알려진 주소의 목록이 포함되어 있어 경량 클라이언트가 전체 블록체인에 접근하지 않고도 거래를 검증할 수 있다.
• 비참여 주소에 대해 거짓 양성(false positive)이 발생하지 않도록 하기 위해, 크기를 점진적으로 증가시켜 완벽한 블룸 필터를 계산하는 메커니즘을 정의한다.
• 프로토콜은 모든 클라이언트가 블록 헤더와 자신의 거래 데이터(메르클 증명 포함)를 저장하며, 필요 시 SCP를 재구성할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 노드가 필요 없이 오직 경량 클라이언트만으로 작동하는 블록체인을 설계할 수 있는가? 이는 보안성과 탈중앙화를 유지하면서 가능할까?
• RQ2 전체 블록체인 이력에 접근하지 않고도 블록 헤더와 최소한의 메타데이터만으로 거래 유효성을 증명할 수 있는가?
• RQ3 BLS 서명과 완벽한 블룸 필터를 사용할 경우, 블록체인 환경에서 저장 요구량 감소와 계산 비용 증가 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 직접 주소를 저장하는 것과 비교해 완벽한 블룸 필터를 사용할 경우 블록 헤더 크기를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 클라이언트가 개별 거래나 증명을 잃어도 경량 클라이언트가 여전히 유효한 증명을 재구성할 수 있도록 시스템은 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• 완벽한 블룸 필터는 모든 주소를 직접 저장하는 것과 비교해 블록 헤더 크기를 크게 줄여주며, 테스트 결과 500개 주소 중 400개가 참여할 경우 약 3000비트의 헤더 크기를 기록했다.
• BLS 서명은 다수의 서명을 하나의 압축된 서명으로 집계함으로써 블록 헤더 내 증명 컴포넌트의 크기를 줄여준다.
• 완벽한 블룸 필터를 생성하는 데 드는 계산 비용은 참여 주소 수가 증가함에 따라 증가하지만, 이 방법은 비참여 주소에 대해 거짓 양성을 전혀 발생시키지 않는다.
• 블록 헤더와 자가 포함 증명만으로도 전체 거래 검증이 가능해지며, 이는 모든 노드가 경량 클라이언트로 작동하고 노드당 저장 요구량을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
• 주요 제한점은 클라이언트가 거래나 메르클 증명을 잃어버리면 더 이상 유효한 자가 포함 증명을 생성할 수 없으며, 이로 인해 자산을 영구적으로 상실할 위험이 있다.
• 이 접근법은 데이터 구조, 암호화 메커니즘, 합의 프로토콜의 변경이 필요하므로 기존 블록체인에 구현하기 위해 하드 포크가 필요하다.