[論文レビュー] Permissionless Consensus

Andrew Lewis-Pye, Tim Roughgarden|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、許可なし環境におけるブロックチェーン合意形成プロトコルを分析する形式的フレームワークを提示し、完全に許可なし、動的利用可能、準許可なしの3段階の許可なしレベルを区別する。決定的Byzantine合意において、完全に許可なし環境下でも、深刻なByzantine制約のもとでも無限の非終了実行が避けられないという根本的な不可能性結果を証明し、分散型合意形成設計における本質的制限を浮き彫りにする。

ABSTRACT

Blockchain protocols typically aspire to run in the permissionless setting, in which nodes are owned and operated by a large number of diverse and unknown entities, with each node free to start or stop running the protocol at any time. This setting is more challenging than the traditional permissioned setting, in which the set of nodes that will be running the protocol is fixed and known at the time of protocol deployment. The goal of this paper is to provide a framework for reasoning about the rich design space of blockchain protocols and their capabilities and limitations in the permissionless setting. We propose a hierarchy of settings with different "degrees of permissionlessness", specified by the amount of knowledge that a protocol has about the current participants: These are the fully permissionless, dynamically available and quasi-permissionless settings. The paper also proves several results illustrating the utility of our analysis framework for reasoning about blockchain protocols in these settings. For example: (1) In the fully permissionless setting, even with synchronous communication and with severe restrictions on the total size of the Byzantine players, every deterministic protocol for Byzantine agreement has a non-terminating execution. (2) In the dynamically available and partially synchronous setting, no protocol can solve the Byzantine agreement problem with high probability, even if there are no Byzantine players at all. (3) In the quasi-permissionless and partially synchronous setting, by contrast, assuming a bound on the total size of the Byzantine players, there is a deterministic protocol solving state machine replication. (4) In the quasi-permissionless and synchronous setting, every proof-of-stake state machine replication protocol that uses only time-malleable cryptographic primitives is vulnerable to long-range attacks.

研究の動機と目的

• 参加者が未知、動的で、潜在的にSybil攻撃を受けうる許可なし環境におけるブロックチェーン合意形成プロトコルの設計空間を形式化・分析すること。
• プロトコルが現在の参加者をどの程度知っているかに基づき、完全に許可なし、動的利用可能、準許可なしの3つの明確に区別できる許可なしレベルを特定・区別すること。
• 各設定下での合意、特にByzantine合意および状態機械レプリカションに関して、基礎的な不可能性および可能性結果を確立すること。
• Byzantine障害が存在しない場合ですら、特定の許可なし設定では、ある種の応答性および一貫性の保証が達成できないことを示すこと。
• 準許可なし設定下で長距離攻撃の脅威が存在する場合、時系列可変性を持つ暗号プリミティブの限界を明確にすること。

提案手法

• プロトコルがアクティブ参加者をどの程度知っているかに基づき、3段階の許可なし設定の階層を提示する：完全に許可なし（知識なし）、動的利用可能（識別子の上位集合を知っている）、準許可なし（現在の参加者が正確に既知の識別子である）。
• プロトコル実行間の区別不能性の議論を用いて、敵対的行動をシミュレートし、特定の仮定下での一貫性違反を示す。
• ゲーム理論的および暗号的推論を用いて、戦略的不活性化や矛盾する取引の承認といったByzantine行動をモデル化する。
• 確率的解析を用いて失敗確率の上限を導出し、一貫性違反を関連するプロトコル実行におけるライブネスおよび反応性の失敗と結びつける。
• 敵対的実行シナリオ（例：I1 から I5）を構築し、特定の条件下で一貫性違反が高確率で避けられないことを示す。
• 状態および取引集合に対して相対的な「有効性」の概念に依拠し、時間スロットを用いてプロトコル実行全体にわたる承認進行状況を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に許可なし環境下で、Byzantineプレイヤーの制限が厳しくても、決定的Byzantine合意に根本的な制限はあるか？
• RQ2 Byzantineプレイヤーが存在しない動的利用可能かつ部分的に同期的環境下で、合意プロトコルが高確率で一貫性およびライブネスを保証できるか？
• RQ3 Byzantine影響が限定的である準許可なし、部分的に同期的環境下で、状態機械レプリカションのための決定的PoSプロトコルは存在するか？
• RQ4 Byzantine障害が存在しない動的利用可能かつ認証済み、同期的環境下で、楽観的応答性を持つ状態機械レプリカションプロトコルは、一貫性およびライブネスを両立させられるか？
• RQ5 準許可なし、同期的環境下で、時間可変性を持つプリミティブのみに依存するすべてのPoS状態機械レプリカションプロトコルは、長距離攻撃に対して脆弱であるか？

主な発見

• 完全に許可なし環境下では、Byzantineプレイヤーに対する制限が厳しくても、すべての決定的Byzantine合意プロトコルにおいて、誠実なプレイヤーが終了しない無限の実行が存在する。
• 動的利用可能かつ部分的に同期的環境下では、Byzantine合意を高確率で解けるプロトコルは存在しない——Byzantineプレイヤーが存在しない場合でさえも。
• 準許可なしかつ部分的に同期的環境下では、Byzantineプレイヤー数に適切な上限を設ければ、状態機械レプリカションのための決定的PoSプロトコルが存在する。
• 動的利用可能かつ認証済み、同期的環境下では、楽観的応答性を持つ状態機械レプリカションプロトコルは、Byzantineプレイヤーが存在しない場合ですら、一貫性とライブネスの両方を保証できない。
• 準許可なしかつ同期的環境下では、時間可変性を持つ暗号プリミティブのみに依存するすべてのPoSプロトコルは、長距離攻撃に対して脆弱である。
• 確率的プロトコルにおいて、一貫性違反が確率 $1 - 4ar{ ho}$ 以上で発生する。$ar{ ho} < 1/5$ であるため、これは矛盾を引き起こし、特定の敵対的状況下で一貫性が高確率で保証できないことを証明する。