[论文解读] Topos: A Secure, Trustless, and Decentralized Interoperability Protocol

Théo Gauthier, Sébastien Dan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Cryptography and Data Security被引用 5

一句话总结

Topos 提出了一种无信任、去中心化的互操作协议，通过 zkSTARK 证明确保计算完整性，并利用传输控制引擎（TCE）实现弱因果可靠广播，从而在异构区块链之间实现安全的跨子网通信。该协议无需依赖共识机制或中心化区块链，即可实现统一的安全性、可扩展性和组合性，跨子网消息通过通用证书接口（UCI）和 ICE-FROST 阈值签名实现密码学验证。

ABSTRACT

Topos is an open interoperability protocol designed to reduce as much as possible trust assumptions by replacing them with cryptographic constructions and decentralization while exhibiting massive scalability. The protocol does not make use of a central blockchain, nor uses consensus to ensure consistent delivery of messages across a heterogeneous ecosystem of public and private blockchains, named subnets, but instead relies on a weak causal reliable broadcast implemented by a distributed network which we call $ extit{Transmission Control Engine}$ (TCE). The validity of cross-subnet messages is ensured by the $ extit{Universal Certificate Interface}$ (UCI) and stems from zkSTARK proofs asserting the validity of subnets' state transitions executed by the Topos zkVM. Such proofs of computational integrity are publicly verifiable by any other participants in and out the protocol such as other subnets or audit companies. The interface between the TCE and subnets leverages the ICE-FROST protocol, an innovative threshold signature scheme, whose static public key allows for uniquely identifying subnets after they register in the protocol. The Topos protocol is designed to provide $ extit{uniform security}$ to the ecosystem and to handle any type of subnets (e.g., permissioned, permissionless) in order to fit any business use cases and pave the way for global adoption and a new standard for the Internet base layer.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化、无信任的互操作协议，消除对中心化桥梁或共识机制的依赖。
• 实现跨异构区块链（包括许可和非许可子网）的安全、密码学可验证的跨子网通信。
• 通过用弱因果可靠广播协议（WCPRB）替代传统共识机制，以及使用 zkSTARK 证明状态转换，实现高可扩展性和低延迟。
• 确保整个生态系统中统一的安全性和组合性，支持跨链应用的原子性和异步组合。
• 通过通用证书接口（UCI）标准化子网之间的通用语言，为全球区块链互操作性奠定基础。

提出的方法

• 协议使用去中心化的传输控制引擎（TCE）实现弱因果概率可靠广播（WCPRB），在无需共识的情况下确保消息传递。
• 跨子网消息通过 Topos zkVM 生成的 zkSTARK 证明进行密码学验证，证明其在各个子网上状态转换的正确性。
• 通用证书接口（UCI）将这些证明绑定到一个全球可验证的证书上，使用 ICE-FROST 阈值签名唯一标识并认证子网。
• 子网通过 Topos Subnet 注册，该组件管理其在 TCE 中的参与，并通过静态公钥和阈值签名防止 Sybil 攻击。
• 系统通过支持原子性和异步执行跨链操作，实现组合性，同时为跨子网交易收取费用。
• 验证后丢弃历史状态，仅在数据可用性层存储状态承诺，确保每个子网的存储成本恒定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖中心化实体或共识协议的前提下实现区块链互操作性？
• RQ2 能否通过零知识证明和弱因果广播构建一个去中心化、可扩展且密码学安全的跨链通信层？
• RQ3 在无信任生态系统中，如何确保异构、主权子网之间统一的安全性和组合性？
• RQ4 哪些机制可以实现高效、可扩展且保护隐私的跨子网交易验证，同时不牺牲终局性或一致性？
• RQ5 递归 zkSTARK 是否可用于跨多个子网批处理证明，从而减轻 TCE 的负载？

主要发现

• Topos 协议通过 TCE 实现的弱因果可靠广播（WCPRB）替代共识机制，实现了无信任、去中心化的互操作性，确保消息传递且无二次方消息复杂度。
• 由 Topos zkVM 生成的 zkSTARK 证明提供了公开可验证、密码学上安全的状态转换正确性证明，使任何参与者均可独立验证跨子网消息。
• ICE-FROST 阈值签名方案支持子网的静态公钥，实现唯一标识和抗 Sybil 攻击，且无需依赖中心化权威机构。
• 系统通过在验证后丢弃历史状态，仅在数据可用性层保留状态承诺，实现每个子网恒定的存储开销。
• 递归 zkSTARK 可用于跨多个子网批处理证明，降低 TCE 负载，并允许子网自主控制其证书提交时间表。
• 该协议支持原子性和异步组合，使复杂跨链应用可在强安全保证下构建。