[논문 리뷰] Winning the Caucus Race: Continuous Leader Election via Public Randomness

Sarah Azouvi, Patrick McCorry외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 22인용 수 13

한 줄 요약

Caucus는 공개 랜덤성과 개인 해시 커밋먼트를 사용하여 작업증명이 없는 안전하고 공정하며 예측 불가능한 리더 선출을 가능하게 하는 저비용, 협업 최소화 리더 선출 프로토콜이다. 이더리움에서 리더 선출당 비용이 단 $0.10에 불과하여 기존의 랜덤 비콘 솔루션에 비해 비용을 크게 절감한다.

ABSTRACT

Consensus protocols inherently rely on the notion of leader election, in which one or a subset of participants are temporarily elected to authorize and announce the network's latest state. While leader election is a well studied problem, the rise of distributed ledgers (i.e., blockchains) has led to a new perspective on how to perform large-scale leader elections via solving a computationally difficult puzzle (i.e., proof of work). In this paper, we present Caucus, a large-scale leader election protocol with minimal coordination costs that does not require the computational cost of proof-of-work. We evaluate Caucus in terms of its security, using a new model for blockchain-focused leader election, before testing an implementation of Caucus on an Ethereum private network. Our experiments highlight that one variant of Caucus costs only $0.10 per leader election if deployed on Ethereum.

연구 동기 및 목표

• 작업증명의 높은 계산 비용을 피하면서도 협업 오버헤드를 최소화하는 블록체인을 위한 안전하고 확장 가능한 리더 선출 프로토콜을 설계하기.
• 블록체인 리더 선출에 특화된 보안 요구사항을 정의하기, 특히 지속성, 공정성, 예측 불가능성 포함.
• 이더리움에서 프로토콜의 실용적 구현을 평가하여 낮은 운영 비용과 강력한 보안 보장을 입증하기.
• 작업증명에서 스테이크오브스테이크 블록체인으로의 원활한 전환을 가능하게 하기 위해 안전한 랜덤 비콘을 부트스트랩하기.
• 리더 선출을 기초 구성 요소로 분리하고 철저히 분석하기, incen tive 메커니즘은 향후 연구 과제로 남기기.

제안 방법

• Caucus는 분산된 프로토콜을 통해 생성된 공개 랜덤 비콘과 참가자들이 해시 체인의 머리 부분을 통해 커밋한 개인 랜덤성의 조합을 사용한다.
• 참가자는 임계값 검증 기반으로 리더로 선정된다: H(h_i^rnd ⊕ R_k) < target_k, 여기서 R_k는 공개 비콘 값이다.
• 공개 랜덤성과 개인 커밋먼트에 모두 의존함으로써 프로토콜은 공정성과 예측 불가능성을 보장하여 그라운딩 공격 및 DoS 공격을 방지한다.
• 온체인/오프체인 혼합 설계로 비용을 절감한다: 비콘은 SCRAPE의 투표 기반 변형을 통해 초기화되어 온체인 버전의 비용을 $271에서 $79.8로 감소시킨다.
• 추가 해시 검증당 128 게이스만 소요되므로, 최소 검증이 필요한 경우 리더 선출당 비용이 $0.10에 불과하다.
• Caucus는 이더리움에서 스마트 컨트랙트로 배포 가능하며, 초기 배포 비용은 약 $50, 지속적인 운영 비용은 라운드당 $0.10이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인을 위한 리더 선출 프로토콜을 설계할 수 있는가? 이는 작업증명에 의존하지 않으면서도 공정성, 지속성, 예측 불가능성을 보장해야 한다.
• RQ2 공개 랜덤성과 개인 랜덤성을 어떻게 조합하여 안전하고 저비용이며 협업 최소화된 리더 선출을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이더리움에서 안전한 랜덤 비콘을 리더 선출에 구현할 경우 실질적인 비용은 얼마이며, 이를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 Caucus는 작업증명에서 스테이크오브스테이크 합의로의 전환을 안전하게 부트스트랩할 수 있는가?
• RQ5 분산된 환경에서 보안성과 효율성을 유지하기 위해 리더 선출 프로토콜이 필요한 최소한의 신뢰 가정은 무엇인가?

주요 결과

• 최소한의 검증이 필요한 경우 이더리움에서 Caucus는 리더 선출당 비용이 단 $0.10에 불과하여 기존 솔루션에 비해 극적으로 감소하였다.
• SCRAPE의 투표 기반 변형을 사용함으로써 초기 비콘 설정 비용을 $80 이내로 유지할 수 있었으며, 완전히 온체인 비콘의 $271 비용을 피할 수 있었다.
• 참가자가 사전에 공개 커밋먼트를 통해 자격을 공개함으로써 리더가 DoS 공격의 대상이 되는 것을 방지한다.
• 참가자들이 사전 이미지를 제출하도록 요구함으로써 잘못된 행동을 후행적으로 탐지할 수 있으며, 커밋먼트가 공개되지 않을 경우 제재가 가능하다.
• 최소한의 협업으로도 검증 가능한 랜덤 비콘을 구축함으로써 Caucus는 작업증명에서 스테이크오브스테이크 블록체인으로의 안전하고 저비용 전환을 가능하게 한다.
• 초기 컨트랙트 배포 비용은 약 $50이며, 최소한 한 명의 정직한 참가자가 비콘에 기여하는 것을 전제로 하면 프로토콜은 여전히 보안을 유지한다.