[论文解读] Fraud Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities.

Mustafa Al-Bassam, Alberto Sonnino+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 22被引用 29

一句话总结

本文提出了一种新型的欺诈证明与数据可用性证明系统，通过将诚实多数假设替换为对诚实数据重新广播的较弱假设，增强了区块链中轻客户端的安全性。通过结合欺诈证明与概率性数据可用性采样，该系统能够在不依赖多数诚实区块生产者的情况下，通过分片或更大的区块实现安全的链上扩展，同时确保数据完整性和有效性。

ABSTRACT

Light clients, also known as Simple Payment Verification (SPV) clients, are nodes which only download a small portion of the data in a blockchain, and use indirect means to verify that a given chain is valid. Typically, instead of validating block data, they assume that the chain favoured by the blockchain's consensus algorithm only contains valid blocks, and that the majority of block producers are honest. By allowing such clients to receive fraud proofs generated by fully validating nodes that show that a block violates the protocol rules, and combining this with probabilistic sampling techniques to verify that all of the data in a block actually is available to be downloaded, we can eliminate the honest-majority assumption, and instead make much weaker assumptions about a minimum number of honest nodes that rebroadcast data. Fraud and data availability proofs are key to enabling on-chain scaling of blockchains (e.g. via sharding or bigger blocks) while maintaining a strong assurance that on-chain data is available and valid. We present, implement, and evaluate a novel fraud and data availability proof system.

研究动机与目标

• 消除区块链轻客户端对诚实多数的依赖，这是当前SPV设计中的一个关键漏洞。
• 通过欺诈证明实现链上数据可用性与有效性验证，从而提升区块链的安全性与可扩展性。
• 通过仅要求最少数量的诚实节点重新广播数据，而非依赖多数诚实区块生产者，减少轻客户端的信任假设。
• 通过确保数据可用性与正确性，结合可验证证明，支持通过分片或更大区块实现安全的链上扩展。

提出的方法

• 设计一种欺诈证明系统，其中全节点生成证明以表明某区块违反了协议规则，轻客户端可验证此类证明。
• 整合概率采样技术，以验证区块中所有数据均可下载，从而在无需完整获取的情况下确保数据可用性。
• 用较弱的假设替代传统诚实多数假设，即仅要求最少数量的节点为诚实且积极重新广播数据。
• 结合欺诈证明与数据可用性证明，即使在多数节点不诚实的情况下，也能提供强安全保证。
• 在真实区块链环境中实现并评估该系统，以衡量性能与安全性的权衡。
• 使用密码学技术确保证明简洁且可被轻客户端高效验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 欺诈证明与数据可用性证明能否结合使用，以消除轻客户端验证中对诚实多数的依赖？
• RQ2 如何利用概率采样高效验证数据可用性，而无需下载整个区块？
• RQ3 在轻客户端模型中，确保安全所需的最简诚实节点假设是什么？
• RQ4 该系统能否在保持强安全保证的前提下，通过分片或更大区块实现安全的链上扩展？

主要发现

• 所提出的系统成功地将诚实多数假设替换为对最少数量诚实节点重新广播数据的较弱要求。
• 概率性数据可用性采样可高效验证区块数据的可用性，且在极低带宽下仍能以高置信度完成。
• 欺诈证明使轻客户端即使在多数区块生产者不诚实的情况下，也能检测并拒绝无效区块。
• 该系统通过确保数据可用性与有效性，结合可验证证明，支持通过分片或更大区块实现安全的链上扩展。
• 该方法在显著降低区块链轻客户端信任假设的同时，维持了强安全保证。
• 实现结果表明该系统在真实区块链环境中具备实际可行性与高效性。