[논문 리뷰] Topos: A Secure, Trustless, and Decentralized Interoperability Protocol

Théo Gauthier, Sébastien Dan외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 07.

Cryptography and Data Security인용 수 5

한 줄 요약

Topos는 zkSTARK 증명을 통해 계산적 무결성을 보장하고 전송 제어 엔진(TCE)을 통한 약한 인과적 신뢰성 브로드캐스트를 활용하여 이질적인 블록체인 간에 안전한 크로스서브넷 통신을 가능하게 하는 신뢰할 수 없고 분산된 상호운용성 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은 합의나 중심 블록체인에 의존하지 않으며, 균일한 보안성, 확장성, 조합 가능성(컴포지빌리티)을 보장한다. 크로스서브넷 메시지는 유니버설 커티피케이트 인터페이스와 ICE-FROST 임계값 서명을 통해 암호학적으로 검증된다.

ABSTRACT

Topos is an open interoperability protocol designed to reduce as much as possible trust assumptions by replacing them with cryptographic constructions and decentralization while exhibiting massive scalability. The protocol does not make use of a central blockchain, nor uses consensus to ensure consistent delivery of messages across a heterogeneous ecosystem of public and private blockchains, named subnets, but instead relies on a weak causal reliable broadcast implemented by a distributed network which we call $ extit{Transmission Control Engine}$ (TCE). The validity of cross-subnet messages is ensured by the $ extit{Universal Certificate Interface}$ (UCI) and stems from zkSTARK proofs asserting the validity of subnets' state transitions executed by the Topos zkVM. Such proofs of computational integrity are publicly verifiable by any other participants in and out the protocol such as other subnets or audit companies. The interface between the TCE and subnets leverages the ICE-FROST protocol, an innovative threshold signature scheme, whose static public key allows for uniquely identifying subnets after they register in the protocol. The Topos protocol is designed to provide $ extit{uniform security}$ to the ecosystem and to handle any type of subnets (e.g., permissioned, permissionless) in order to fit any business use cases and pave the way for global adoption and a new standard for the Internet base layer.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중화된 브리지나 합의 메커니즘에 의존하지 않는 분산형, 신뢰할 수 없는 상호운용성 프로토콜을 설계하는 것.
• 허가형 및 비허가형 서브넷을 포함한 이질적인 블록체인 간에 안전하고 암호학적으로 검증 가능한 크로스서브넷 통신을 가능하게 하는 것.
• 기존의 합의 기반 방식을 대체하여 약한 인과적 신뢰성 브로드캐스트 프로토콜(WCPRB)과 zkSTARK 기반의 상태 전이 증명을 통해 고성능 확장성과 낮은 지연 시간을 달성하는 것.
• 신뢰할 수 없는 생태계 내에서 이질적이고 고유한 서브넷 간에 균일한 보안성과 조합 가능성을 보장하는 것.
• 유니버설 커티피케이트 인터페이스(UCI)를 통해 서브넷 간의 공통 언어를 표준화하여 글로벌 블록체인 상호운용성의 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 합의 없이도 메시지 전달을 보장하는 약한 인과적 확률적 신뢰성 브로드캐스트(WCPRB)를 실현하기 위해 분산된 전송 제어 엔진(TCE)을 사용한다.
• 크로스서브넷 메시지는 Topos zkVM가 생성한 zkSTARK 증명을 통해 암호학적으로 검증되며, 이 증명은 각 서브넷의 상태 전이가 정확하게 수행되었음을 증명한다.
• 유니버설 커티피케이트 인터페이스(UCI)는 이러한 증명을 글로벌하게 검증 가능한 증명서에 바인딩하며, ICE-FROST 임계값 서명을 통해 서브넷을 고유하게 식별하고 인증한다.
• 서브넷은 Topos Subnet을 통해 등록되며, 이는 TCE에의 참가를 관리하고 정적 공개 키 및 임계값 서명을 통해 시비어 공격을 방지한다.
• 수수료가 크로스서브넷 거래에 대해 부과되며, 원자적이고 비동기적인 크로스체인 작업 실행을 지원함으로써 조합 가능성을 확보한다.
• 검증 후 과거 상태는 폐기되며, 데이터 가용성 레이어에는 오직 상태 커밋만 유지되어 서브넷당 일정한 스토리지량을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 집중화된 기관이나 합의 프로토콜에 의존하지 않고 어떻게 블록체인 상호운용성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제로 지식 증명과 약한 인과적 브로드캐스트를 활용하여 분산형, 확장 가능하고 암호학적으로 안전한 크로스체인 통신 계층을 구축할 수 있는가?
• RQ3 신뢰할 수 없는 생태계 내에서 이질적이고 고유한 서브넷 간에 균일한 보안성과 조합 가능성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ4 최종성이나 일관성을 희생시키지 않고도 효율적이고 확장 가능하며 프라이버시를 보장하는 크로스서브넷 거래 검증을 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 재귀적 zkSTARK를 활용하여 다수의 서브넷을 통해 증명을 배치함으로써 TCE의 부담을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• Topos 프로토콜은 TCE가 실현하는 약한 인과적 신뢰성 브로드캐스트(WCPRB)를 통해 합의를 대체함으로써, 이중적 메시지 복잡도 없이도 메시지 전달을 보장하는 신뢰할 수 없고 분산된 상호운용성을 달성한다.
• Topos zkVM가 생성한 zkSTARK 증명은 공개적으로 검증 가능하고 암호학적으로 타당한 상태 전이의 정확성을 보장하며, 참가자는 독립적으로 크로스서브넷 메시지를 검증할 수 있다.
• ICE-FROST 임계값 서명 기반의 정적 공개 키는 서브넷을 고유하게 식별하고 시비어 공격에 저항할 수 있도록 하며, 중심 기관에 의존하지 않는다.
• 검증 후 과거 상태를 폐기하고 데이터 가용성 레이어에만 상태 커밋을 유지함으로써 서브넷당 일정한 스토리지량을 확보한다.
• 재귀적 zkSTARK는 다수의 서브넷을 통해 증명을 배치함으로써 TCE의 부담을 줄이고, 서브넷이 자체적인 증명 제출 일정을 제어할 수 있도록 한다.
• 프로토콜은 원자적이고 비동기적 조합 가능성을 지원하여, 강력한 보안 보장을 바탕으로 한 복잡한 크로스체인 애플리케이션을 구축할 수 있다.