[論文レビュー] StakeCube: Combining Sharding and Proof-of-Stake to build Fork-free Secure Permissionless Distributed Ledgers

Antoine Durand, Emmanuelle Anceaume+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

StakeCubeは、シャーディングとプルーフ・オブ・ステークを組み合わせることで、許可なしでフォークのないスケーラブルで安全なブロックチェーンプロトコルを提案する。分散ハッシュテーブル（DHT）を用いたランダムなシャーディングの割り当て、ステーカー委員会間での検証可能でバースト型の合意形成、および誘導されたチェンジ（induced churn）を用いたエクリプス攻撃への耐性により、適応的攻撃者に対してもフォークが発生する確率は無視できるほど低いことを保証する。

ABSTRACT

Our work focuses on the design of a scalable permissionless blockchain in the proof-of-stake setting. In particular, we use a distributed hash table as a building block to set up randomized shards, and then leverage the sharded architecture to validate blocks in an efficient manner. We combine verifiable Byzantine agreements run by shards of stakeholders and a block validation protocol to guarantee that forks occur with negligible probability. We impose induced churn to make shards robust to eclipse attacks, and we rely on the UTXO coin model to guarantee that any stakeholder action is securely verifiable by anyone. Our protocol works against adaptive adversary, and makes no synchrony assumption beyond what is required for the byzantine agreement.

研究の動機と目的

• 既存のプルーフ・オブ・ステークブロックチェーンのスケーラビリティ制限を克服するため、ノードごとの負荷を低減するシャーディングアーキテクチャを導入すること。
• プルーフ・オブ・ワークや同期性の仮定を除き、バースト型合意形成に依存しない許可なし環境において、強力な一貫性を確保し、フォークを防止すること。
• 誘導されたチェンジと動的シャーディング再割り当てにより、予測不能で一時的なユーザー認証情報を強制することで、エクリプス攻撃から保護すること。
• UTXOモデルと検証可能なランダムなシャーディング委員会選定を用いて、セキュリティと検証可能性を維持すること。
• 前回のブロックのランダムシードに基づいて選ばれるシャーディングのサブ委員会により、ブロック作成を効率化し、分散化と公平性を保証すること。

提案手法

• ステーカーのステークと認証情報を基に、分散ハッシュテーブル（DHT）を用いてランダムかつ動的に変化するシャーディングに割り当てる。
• 各シャーディング内で検証可能なバースト型合意形成を実装し、ブロックの検証を保証することで、一貫性と最終性を確保する。
• 定期的なユーザーのシャーディング間移動（チェンジ）を導入することで、攻撃者が特定のシャーディングをエクリプスするのを不可能にする。
• 前回のブロックのランダムシードに次ブロック作成者の選定を束縛するブロック検証プロトコルを適用し、予測不可能性を保証する。
• UTXOモデルを用いて、ステーカーの行動を公開かつ効率的に検証可能にし、二重支出を防止する。
• ホーフィングの不等式と和集合の上限を用いて形式的セキュリティを定式化し、シャーディングの改ざん確率を制限することで、フォーク確率を無視できるほど小さく保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにシャーディングをプルーフ・オブ・ステークブロックチェーンに統合することで、スケーラビリティを向上させつつも、セキュリティと一貫性を維持できるか？
• RQ2 適応的攻撃者がシャーディングメンバーを操作したり、エクリプス攻撃を仕掛けるのを防ぐにはどのようなメカニズムが必要か？
• RQ3 どのようにして、許可なしで非同期環境においてもフォークが不可能であることを保証できるか？
• RQ4 シャーディングされたPoSシステムにおいて、ステークの集中度、認証情報管理、セキュリティパラメータの間にはどのようなトレードオフが存在するか？
• RQ5 検証可能なランダム選定、誘導されたチェンジ、DHTベースのシャーディングの組み合わせが、同期性の仮定を除き、強力なセキュリティ保証を達成できるか？

主な発見

• プロトコルは、シャーディング改ざん確率の指数関数的に減少する上界によって形式化され、フォークが発生する確率は無視できるほど低いことを保証する。
• 少なくとも1つのシャーディングに $\mu_{\text{shard}}S$ 個を超える悪意ある認証情報が存在する確率は、$ e^{-(2(\mu_{\text{shard}}-\mu_{\text{cred}})^2S - \ln K)} $ で抑えられ、シャーディングサイズ $S$ が大きくなるに従い指数関数的に減少する。
• セキュリティパラメータ $\mu_{\text{shard}}$ と $s_{\min}$ は、攻撃者のステーク比率 $\mu$、セキュリティパラメータ $\kappa$、システムサイズ $N$ から導出可能であり、適応的攻撃者に対して耐性を示す。
• M-有効期限付き認証情報の使用により、攻撃者の有効ステークが制限され、多数の低価値UTXOを保有しても得られる利点が減少する。
• 同期性の仮定は、バースト型合意形成に必要な範囲内に限定されるため、非同期ネットワークにおける実世界の展開に適したセキュリティを達成する。
• 理論的分析により、攻撃者が合計ステークの割合 $\mu$ を制御していても、$\mu_{\text{shard}} > \mu_{\text{cred}}$ かつ $S$ が十分に大きい限り、システムが安全であることが確認された。