[论文解读] Proofs of Proof-of-Stake with Sublinear Complexity

Shresth Agrawal, Joachim Neu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的权益证明（PoS）超级轻客户端协议，具有次线性启动复杂度，利用PoS纪元的Merkle树与二分博弈，实现对区块链状态的高效、安全验证。该协议相比现有以太坊轻客户端，实现9倍更快的启动速度、180倍更少的通信量以及30倍更低的能耗，使资源受限设备能够实现无信任、高效的验证。

ABSTRACT

Popular Ethereum wallets (like MetaMask) entrust centralized infrastructure providers (e.g., Infura) to run the consensus client logic on their behalf. As a result, these wallets are light-weight and high-performant, but come with security risks. A malicious provider can mislead the wallet by faking payments and balances, or censoring transactions. On the other hand, light clients, which are not in popular use today, allow decentralization, but are concretely inefficient, often with asymptotically linear bootstrapping complexity. This poses a dilemma between decentralization and performance. We design, implement, and evaluate a new proof-of-stake (PoS) superlight client with concretely efficient and asymptotically logarithmic bootstrapping complexity. Our proofs of proof-of-stake (PoPoS) take the form of a Merkle tree of PoS epochs. The verifier enrolls the provers in a bisection game, in which honest provers are destined to win once an adversarial Merkle tree is challenged at sufficient depth. We provide an implementation for mainnet Ethereum: compared to the state-of-the-art light client construction of Ethereum, our client improves time-to-completion by 9x, communication by 180x, and energy usage by 30x (when bootstrapping after 10 years of consensus execution). As an important additional application, our construction can be used to realize trustless cross-chain bridges, in which the superlight client runs within a smart contract and takes the role of an on-chain verifier. We prove our construction is secure and show how to employ it for other PoS systems such as Cardano (with fully adaptive adversary), Algorand, and Snow White.

研究动机与目标

• 通过在不增加全节点开销的前提下，实现高效、去中心化的验证，解决PoS区块链客户端在性能与安全之间的权衡问题。
• 设计一种简洁的权益证明（PoPoS）协议，使轻客户端能够以次线性通信与计算复杂度验证区块链状态。
• 实现并评估一个功能完整的主网以太坊超级轻客户端，其在速度、通信量和能耗效率方面优于现有轻客户端设计。
• 在标准假设下证明协议的安全性，包括抗碰撞性哈希与签名的存在性不可伪造性。
• 通过将超级轻客户端作为智能合约中的链上验证者部署，支持新型应用如无信任跨链桥接。

提出的方法

• 协议构建一个PoS纪元切换根的Merkle树，其中每个节点代表对某一纪元下验证者集合状态的承诺。
• 验证者通过二分博弈挑战证明者：诚实的证明者通过在递增深度正确识别Merkle树的正确分支而获胜。
• 二分博弈确保了可靠性：攻击性证明者除非能伪造签名或破坏哈希碰撞，否则无法获胜，而这是计算上不可行的。
• 协议在多个证明者之间采用锦标赛机制，验证者通过多轮交互与他们协作，最终收敛到正确的状态承诺。
• 安全性通过完备性（诚实证明者获胜）、可靠性（攻击者以极大概率失败）以及在标准密码学假设下的状态承诺安全性来证明。
• 实现目标为以太坊主网，并与现有PoS基础设施集成，包括同步委员会以及BLS签名等密码原语。

实验结果

研究问题

• RQ1 PoS区块链客户端能否在保持强安全保证的前提下，实现次线性启动复杂度？
• RQ2 如何构建一种简洁的权益证明协议，以实现对长期运行的区块链历史的高效验证？
• RQ3 在PoS系统中，使用二分博弈与Merkle树结构进行状态验证的性能开销如何？
• RQ4 所提出的协议能否安全地应用于构建基于链上验证的无信任跨链桥接？
• RQ5 在实际应用中，该协议与现有轻客户端设计相比，在时间、通信量和能耗方面表现如何？

主要发现

• 所提出的超级轻客户端将以太坊共识历史10年启动时间相比最先进轻客户端缩短9倍。
• 通信复杂度降低180倍，显著提升了移动设备与浏览器端客户端的带宽效率。
• 在启动超过10年历史时，能耗降低30倍，功耗降低4倍，完成时间缩短7倍。
• 与基线轻客户端相比，额外能耗（不包括空闲功耗）降低64倍，使其适用于电池供电设备。
• 协议在标准假设下被形式化证明安全：包括抗碰撞性哈希、签名的存在性不可伪造性以及安全的PoS执行。
• 该构造通过允许智能合约运行超级轻客户端作为链上验证者，实现无信任跨链桥接，确保状态完整性且无需信任外部方。