[论文解读] Superlight -- A Permissionless, Light-client Only Blockchain with Self-Contained Proofs and BLS Signatures

Roman Blum, Thomas Bocek|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用 4

一句话总结

Superlight 提出了一种无需许可的、仅支持轻客户端的区块链，通过使用自包含证明（SCPs）和 BLS 签名，使节点仅通过区块头即可验证交易，而无需完整区块链。这显著降低了存储需求，同时保持了安全性和去中心化，但代价是 BLS 签名和完美布隆过滤器带来的计算开销增加。

ABSTRACT

Blockchain protocols are based on a distributed database where stored data is guaranteed to be immutable. The requirement that all nodes have to maintain their own local copy of the database ensures security while consensus mechanisms help deciding which data gets added to the database and keep powerful adversaries from derailing the system. However, since the database that forms the foundation of a blockchain is a continuously growing list of blocks, scalability is an inherent problem of this technology. Some public blockchains need a few 100 GB to Terabytes of storage. In this work, we present the concept Superlight with self-contained proofs, which is designed to improve scalability of a public blockchain, while preserving security and decentralization. Instead of all nodes having a local copy of the whole blockchain to verify a transaction, nodes can derive the validity of a transaction by only using block headers. To keep the block headers compact, BLS signatures are used to combine signatures. We provide a definition of SCPs and show the required steps of a client to create a proof that is accepted by other nodes for transferring funds. The advantage of such a light-client-only blockchain is the lower storage requirement, while the drawback is an increased computational complexity due to BLS signatures, limited use-cases due to lack of a global state, and the requirement for an interactive protocol between sender, receiver, and miner to create a transaction.

研究动机与目标

• 解决因公共区块链需要存储不断增长的区块链数据而导致的可扩展性限制。
• 实现一种无需许可的区块链，使所有参与者均可作为轻量级客户端运行，从而降低每个节点的存储需求。
• 设计一种系统，仅通过区块头和自包含证明即可验证交易有效性，无需访问完整区块链历史。
• 评估在区块链环境中使用 BLS 签名和完美布隆过滤器时，存储减少与计算成本增加之间的权衡。

提出的方法

• 该系统使用自包含证明（SCPs），将交易有效性证明捆绑在每个交易中，使仅通过区块头即可完成验证。
• 采用 BLS 签名将多个签名聚合为单个紧凑签名，减少区块头大小并实现高效验证。
• 构建完美布隆过滤器以表示系统中所有已知地址，仅存储参与方的地址集合，以最小化区块头膨胀。
• 区块头包含完美布隆过滤器、BLS 签名聚合和所有已知地址的列表，使轻客户端无需完整区块链访问即可验证交易。
• 定义了一种机制，通过迭代增加过滤器大小，直到非参与方地址不再产生误报。
• 该协议假设所有客户端存储区块头及其自身的交易数据（包括默克尔证明），以便在需要时重建 SCP。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种仅依赖轻客户端运行的区块链，完全消除对全节点的需求，同时保持安全性和去中心化？
• RQ2 如何仅通过区块头和最少元数据证明交易有效性，而无需访问完整区块链历史？
• RQ3 在区块链环境中使用 BLS 签名和完美布隆过滤器时，存储减少与计算成本增加之间的权衡是什么？
• RQ4 与直接存储地址相比，使用完美布隆过滤器能将区块头大小减少多少？
• RQ5 该系统如何确保轻客户端在丢失单个交易或其证明后仍能重建有效证明？

主要发现

• 与直接存储所有地址相比，完美布隆过滤器显著减少了区块头大小，测试显示在 500 个总地址中，400 个参与地址的区块头大小仅为 3000 位。
• BLS 签名可高效聚合多个签名为单个紧凑签名，减少了区块头中证明组件的大小。
• 生成完美布隆过滤器的计算成本随参与地址数量增加而上升，但该方法可确保非参与方地址无误报。
• 该系统仅通过区块头和自包含证明即可实现完整交易验证，使所有节点均可作为轻客户端运行，显著降低每个节点的存储需求。
• 一个关键限制是，若客户端丢失某笔交易或其默克尔证明，则无法再生成有效的自包含证明，可能导致资金永久丢失。
• 该方法需要通过硬分叉在现有区块链上部署，因其涉及数据结构、密码学机制和共识协议的变更。