[논문 리뷰] SurferMonkey: A Decentralized Anonymous Blockchain Intercommunication System via Zero Knowledge Proofs

Miguel Díaz Montiel, Rachid Guerraoui외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 24.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 8

한 줄 요약

SurferMonkey는 ZKP를 사용하여 안전하고 MEV에 저항하며 익명성을 보장하는 분산형 블록체인 간 통신 시스템을 제안한다. 이는 익명성 있는 크로스체인 송금을 위한 DACT 프로토콜을 도입하며, zk-SNARKs를 활용해 온체인 및 오프체인 연결 분석을 방지하는 분산 인프라를 통해 사용자 익명성과 합리적 행위자 및 검열에 대한 저항력을 보장한다.

ABSTRACT

Blockchain intercommunication systems enable the exchanges of messages between blockchains. This interoperability promotes innovation, unlocks liquidity and access to assets. However, blockchains are isolated systems that originally were not designed for interoperability. This makes cross-chain communication, or bridges for short, insecure by nature. More precisely, cross-chain systems face security challenges in terms of selfish rational players such as maximal extractable value (MEV) and censorship. We propose to solve these challenges using zero knowledge proofs (ZKPs) for cross-chain communication. Securing cross-chain communication is remarkably more complex than securing single-chain events as such a system must preserve user security against both on- and off-chain analysis. To achieve this goal, we propose the following pair of contributions: the DACT protocol and the SurferMonkey infrastructure that supports the DACT protocol. The DACT protocol is a global solution for the anonymity and security challenges of agnostic blockchain intercommunication. DACT breaks on- and off-chain analysis thanks to the use of ZKPs. SurferMonkey is a decentralized infrastructure that implements DACT in practice. Since SurferMonkey works at the blockchain application layer, any decentralized application (dApp) can use SurferMonkey to send any type of message to a dApp on another blockchain. With SurferMonkey, users can neither be censored nor be exposed to MEV. By applying decentralized proactive security, we obtain resilience against selfish rational players, and raise the security bar against cyberattacks. We have implemented a proof of concept (PoC) of SurferMonkey by reverse engineering Tornado Cash and by applying IDEN3 ZKP circuits. SurferMonkey enables new usecases, ranging from anonymous voting and gaming, to a new phase of anonymous decentralized finance (aDeFi).

연구 동기 및 목표

• MEV 추출기 및 검열자와 같은 합리적 행위자로부터 비롯되는 크로스체인 통신의 핵심 보안 및 개인정보 문제를 해결한다.
• 중앙 집중화된 신뢰, 프론트런닝 공격에 취약, 온체인 및 오프체인 분석 노출 등의 문제점을 겪는 기존 브릿지의 한계를 극복한다.
• 신뢰할 수 있는 제3자나 중앙 집중형 기관에 의존하지 않고도 엔드 투 엔드 익명성을 실현하는 크로스체인 메시징을 가능하게 한다.
• 사용자를 탈중앙화하고 해체할 수 있는 온체인 공격과 오프체인 히우리스틱 기반의 탈중앙화 공격에 저항할 수 있는 시스템을 설계한다.
• 다양한 블록체인 간에 익명 디지털 애플리케이션(dApps)을 실용적으로 구현할 수 있도록 모듈식이고 조합 가능한 인프라를 제공한다.

제안 방법

• ZKP를 활용한 익명성 있고 안전한 블록체인 간 통신을 위한 글로벌 솔루션으로 DACT(Decentralized Anonymous Cross-Chain Transfer) 프로토콜를 설계한다.
• Mixer SC, Merkle Tree SC, Router SC, Verifier SC, dApp SC 등의 다중 스마트 컨트랙트 인프라 구조를 이더리움 기반으로 구현하여 거래 흐름과 검증을 관리한다.
• zk-SNARKs를 사용해 메르클 트리에 속한 멤버십을 간결하고 비상호작용적으로 증명함으로써 입력 및 출력 거래 간의 연결 불가능성을 확보한다.
• 재활성화된 옵티미스틱 보안과 함께 Revert 기능을 통합하여 오라클이나 dApp 노드 참여 없이도 사용자가 자금을 복구할 수 있도록 하여 사용자 자율성과 내구성을 강화한다.
• IDEN3 ZKP 회로를 활용하고 Tornado Cash의 코드를 역공학하여 Circom, JavaScript, Solidity를 사용해 실용적인 프로토타입을 개발한다.
• dApp 소유자 또는 분산 서명자들이 메르클 트리 리프를 서명하도록 요구함으로써 탈중앙화된 프로아티브 보안를 강화하며, 서명이나 메시지 내용을 노출하지 않은 채 ZKP 회로에 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MEV 추출기 및 검열자와 같은 합리적 행위자로부터 크로스체인 통신을 어떻게 보호할 수 있는가?
• RQ2 제로 지식 증명(ZKPs)이 다중 블록체인 환경에서 온체인 및 오프체인 연결 분석을 효과적으로 차단하는 데에 활용될 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 있는 중개자에 의존하지 않고도 크로스체인 dApp 상호작용에서 엔드 투 엔드 익명성을 실현하는 데에 적합한 아키텍처 패턴은 무엇인가?
• RQ4 탈중앙화된 시스템이 오라클이나 dApp 노드 참여 없이도 사용자 자금 복구를 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ5 다중 블록체인 및 다중 dApp 간 통신 파이프라인에 zk-SNARKs를 구현할 경우 성능과 가스 비용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SurferMonkey 프로토타입은 온체인 및 오프체인 분석을 방지하기 위해 zk-SNARKs를 활용해 크로스체인 메시징에서 엔드 투 엔드 익명성을 성공적으로 입증하였다.
• ZKP 검증에 소요되는 가스 비용은 회로 복잡도가 증가함에 따라 일정하게 유지되며 비선형적으로 증가하지 않아, zk-SNARKs의 간결성 특성이 실질적으로 입증되었다.
• 메르클 트리의 깊이가 리프 제출에 소요되는 가스 비용에 큰 영향을 미치며, 이는 개인정보 보호 수준과 거래 비용 사이의 핵심적 트레이드오프를 시사한다.
• Revert 기능은 오라클이나 dApp 노드 참여 없이도 사용자가 자금을 완전히 복구할 수 있도록 하여 사용자 자율성과 내구성을 향상시켰다.
• 거래 의도와 목적지를 은폐함으로써 MEV에 저항하는 구조를 확보하여 크로스체인 MEV 기회를 완전히 제거하였다.
• IDEN3 회로와 역공학된 Tornado Cash 코드를 활용한 구현은 안전하고 조합 가능하며 감사 가능한 익명 통신 계층을 구축할 수 있음을 확인하였다.