[논문 리뷰] Rollerchain, a Blockchain With Safely Pruneable Full Blocks

Alexander Chepurnoy, Mario Larangeira외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 25.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 13

한 줄 요약

Rollerchain는 비트코인 기반의 블록체인 프로토콜로, 비밀번호 기반의 비대칭 증명을 사용한 저장소 증명 기반으로 수정된 작업증명 기반의 방식을 통해 전체 블록의 안전한 정리 기능을 제공한다. 이는 합리적인 노드들이 네트워크 보안이나 신뢰할 수 있는 부트스트랩 기능을 훼손하지 않으면서 스토리지 요구량을 수십만 분의 일 수준으로 줄일 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Bitcoin is the first successful decentralized global digital cash system. Its mining process requires intense computational resources, therefore its usefulness remains a disputable topic. We aim to solve three problems with Bitcoin and other blockchain systems of today by repurposing their work. First, space to store a blockchain is growing linearly with number of transactions. Second, a honest node is forced to be irrational regarding storing full blocks by a way implementations are done. Third, a trustless bootstrapping process for a new node involves downloading and processing all the transactions ever written into a blockchain. In this paper we present a new consensus protocol for Bitcoin-like peer-to-peer systems where a right to generate a block is given to a party providing non-interactive proofs of storing a subset of the past state snapshots. Unlike the blockchain systems in use today, a network using our protocol is safe if the nodes prune full blocks not needed for mining. We extend the GKL model to describe our Proof-of-Work scheme and a transactional model modifications needed for it. We provide a detailed analysis of our protocol and proofs of its security.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 스토리지의 지속 불가능한 증가 문제를 해결하기 위해, 네트워크 보안을 훼손하지 않고 전체 블록의 정리를 안전하게 가능하게 하는 것.
• 과거 상태 스냅샷을 저장하도록 노드들에게 경제적 인cent라이브를 제공함으로써, 오래된 블록을 폐기하려는 합리적 성향을 상쇄하는 것.
• 완전한 노드가 대부분의 블록을 정리해도 신규 노드가 충분한 역사적 데이터를 유지함으로써 검증이 가능하도록 하여 신뢰할 수 있는 부트스트랩을 보장하는 것.
• 작업증명 마이닝을 장기적인 네트워크 지속 가능성과 일치시키기 위해 저장소 기여 메커니즘으로 재사용하는 것.
• GKL 모델을 확장하여 정리 가능한 전체 블록과 동적 상태 스냅샷을 지원하는 증명 가능하게 안전한 프로토콜을 개발하는 것.

제안 방법

• 과거 상태 스냅샷의 일부를 저장하고 있음을 비대칭적으로 증명하는 방식으로 수정된 작업증명 기반의 방식을 도입하여, 블록 헤더 외에도 상태 스냅샷을 저장해야 한다는 조건을 설정한다.
• 새로운 블록 생성 권한이 랜덤하게 선택된 역사적 상태 스냅샷 집합의 소유를 증명하는 데 의존하는 마이닝 로또 시스템을 정의한다.
• 마이닝에 요구되는 스냅샷의 수와 선택 기준을 네트워크의 아카이빙 파라미터 $n$과 $k$에 따라 동적으로 설정한다.
• 수정된 작업증명 기반의 보안성을 GKL 모델을 적용하여 공식화함으로써, 시비르 및 이중-spending 공격에 대한 저항력을 확보한다.
• 상태 표현을 위한 인증된 데이터 구조를 적용하여 효율적인 배치 업데이트와 상태 무결성의 압축된 증명을 가능하게 한다.
• 신규 노드가 안전하게 부트스트랩할 수 있도록, 신뢰할 수 있는 상태 스냅샷을 다운로드하고 암호학적 증명을 통해 체인 내 포함 여부를 검증할 수 있는 메커니즘을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 완전 노드가 합리적이며 대부분의 역사적 블록을 정리하는 상황에서도 블록체인 시스템이 여전히 보안을 확보할 수 있는가?
• RQ2 알트라이즘에 의존하지 않고도 작업증명 시스템을 재구성하여 장기적인 상태 스냅샷 저장을 유도할 수 있는가?
• RQ3 어떤 암호학적 및 합의 메커니즘이 정리된 블록이 블록체인의 무결성이나 최종성에 영향을 주지 않도록 보장하는가?
• RQ4 완전 노드가 더 이상 전체 블록체인 역사 기록을 저장하지 않는다면, 신규 노드는 어떻게 신뢰할 수 있는 방식으로 부트스트랩할 수 있는가?
• RQ5 정리 가능한 블록체인에서 합리적인 완전 노드가 보안과 규정 준수를 유지하기 위해 필요한 최소 스토리지 및 계산 자원은 무엇인가?

주요 결과

• Rollerchain는 전통적인 완전 노드 대비 스토리지 요구량을 최대 세 자리 수준으로 줄일 수 있으며, 보안을 희생하지 않는다.
• 프로토콜은 고정된 수의 역사적 상태 스냅샷 저장을 요구함으로써 전체 블록의 정리를 암호학적으로 검증 가능하게 하여 안전한 정리를 보장한다.
• 신뢰할 수 있는 부트스트랩이 유지되는 이유는 신규 노드가 신뢰할 수 있는 상태 스냅샷을 다운로드하고 압축된 암호학적 증명을 통해 체인 내 포함 여부를 검증할 수 있기 때문이다.
• 수정된 작업증명 기반의 방식은 확장된 GKL 모델 하에서 공식적으로 보안이 입증되어 시비르 및 이중-spending 공격에 저항한다.
• 프로토콜은 다양한 블록체인 시스템에 적용 가능하며, 인증된 상태 표현 방식을 지원하는 경우에 한해 일반적으로 적용 가능하다.
• 충분한 수의 노드들이 요구되는 스냅샷과 블록을 공동으로 저장하고 있는 한, 합리적인 다수의 노드가 지배하더라도 시스템은 여전히 보안을 확보한다.