지분 증명의 암호학적 메커니즘

작업 증명(PoW)은 계산 비용을 사용하여 블록체인을 보호합니다. 채굴자들은 목표값보다 작은 해시를 찾기 위해 경쟁하고, 승자가 다음 블록을 추가합니다. 이 과정에서는 네트워크 보안 수준에 비례하는 전력이 소모됩니다. 지분 증명(PoS)은 계산을 경제적 지분으로 대체합니다. 검증자는 암호화폐를 담보로 잠그고, 프로토콜은 지분에 비례하여 블록 제안자를 선택합니다. Ethereum이 PoW에서 PoS로 전환한 The Merge(2022년 9월)로 에너지 소비가 99.9% 넘게 감소했습니다.

Ethereum의 PoS(Gasper 합의)에서 검증자는 실행 계층의 스마트 계약으로 예치 거래를 보내 32 ETH를 예치합니다. 이 예치에는 BLS 공개 키(검증자의 신원), 출금 자격 증명, 키 소유권을 증명하는 서명이 포함됩니다. 예치 계약은 로그 이벤트를 발생시키며, 합의 계층은 이 로그를 읽고 일정 시간이 지난 후 활성화할 검증자를 대기열에 넣습니다(정상적인 조건에서는 약 12~24시간). 32 ETH 담보는 출금이 활성화될 때까지 잠깁니다.

Ethereum 검증자는 두 쌍의 키를 사용합니다. 하나는 합의 역할(증명, 블록 제안, 동기화 위원회)을 위한 BLS12-381 서명 키이고, 다른 하나는 자금 이동을 위한 별도의 출금 키입니다. BN-254 또는 BLS12-381 곡선에서 생성된 BLS(Boneh-Lynn-Shacham) 서명은 효율적인 집계를 지원하므로 수십만 개의 검증자 서명을 하나의 96바이트 서명으로 결합할 수 있습니다. 이러한 집계는 확장성에 매우 중요합니다. 집계가 없다면 모든 슬롯에 기가바이트 단위의 서명 데이터가 필요하기 때문입니다.

Ethereum의 합의 일정은 슬롯(각 12초)과 에포크(32슬롯=6.4분)로 나뉩니다. 각 슬롯에서는 하나의 검증자가 의사 난수 방식으로 블록 제안자로 선택됩니다. 모든 활성 검증자는 위원회(일반적으로 각 512명의 검증자)로 나뉘어 체인 헤드에 대해 증명합니다. 위원회 배정은 RANDAO를 기반으로 한 셔플 알고리즘(Fisher-Yates와 RANDAO를 엔트로피 원천으로 사용)을 통해 매 에포크마다 변경되어 위원회 구성의 조작을 방지합니다.

PoS에서 검증자를 선택하려면 예측할 수 없고 조작할 수 없는 무작위성이 필요합니다. Ethereum은 프로토콜에 내장된 커밋-공개 방식을 사용하는 RANDAO를 사용합니다. 각 블록 제안자는 현재 에포크 번호에 대한 BLS 서명을 포함해야 합니다. 이 서명은 누적된 RANDAO 값에 XOR 연산으로 반영되어 새로운 엔트로피를 제공합니다. RANDAO 출력은 다음 슬롯의 제안자를 선택하고 위원회를 섞는 데 사용됩니다. 한 에포크에서 마지막으로 공개하는 사람을 통제하는 공격자는 자신의 블록을 공개하지 않음으로써 RANDAO를 약간 편향시킬 수 있지만, 그 대가로 블록 보상을 포기해야 합니다.

PoS의 보안은 검증자가 정직하게 행동하는 데 달려 있습니다. 슬래싱은 두 가지 특정한 잘못된 행동을 처벌합니다. 하나는 이중 서명(동일한 슬롯에 대해 서로 다른 두 블록에 서명)이고, 다른 하나는 포위 투표(서로 충돌하는 증명을 제출)입니다. 슬래싱 증거는 충돌하는 내용을 담은 두 개의 서명된 메시지와 동일한 검증자 키를 포함하는 거래로 온체인에 제출됩니다. 위반 검증자는 지분 일부를 잃고(최소 1/32이며, 많은 검증자가 동시에 슬래싱되면 전체 지분을 잃을 수도 있음) 강제로 종료됩니다.

이더리움의 최종성 메커니즘은 LMD-GHOST 분기 선택 규칙 위에 구축된 캐스퍼 친화적 최종성 장치(FFG)입니다. 매 에포크마다 검증자는 (출처, 대상) 체크포인트 투표를 수행하며, 출처는 마지막으로 정당화된 체크포인트이고 대상은 현재 에포크 경계 블록입니다. 체크포인트는 지분의 2/3가 이를 증명하면 정당화되고, 정당화된 체크포인트는 다음 체크포인트도 정당화되면 최종 확정됩니다. 한 번 최종 확정된 블록은 예치된 전체 ETH의 최소 1/3을 소각하지 않고는 되돌릴 수 없으므로, 되돌리기에는 경제적으로 막대한 대가가 따릅니다.

최종 확정된 체크포인트 사이에서 검증자는 정본 체인의 최상위 블록에 합의해야 합니다. 이더리움은 LMD-GHOST(최신 메시지 기반 탐욕적 최중량 관찰 부분 트리)를 사용합니다. 각 검증자의 최신 증명이 투표로 집계되며, 분기 선택 알고리즘은 각 분기 지점에서 누적 지분 가중치가 가장 큰 가지를 따르되 각 검증자의 가장 최근 메시지만 계산합니다. LMD-GHOST(생존성)와 Casper FFG(최종성)의 결합이 이더리움의 완전한 합의 프로토콜인 개스퍼를 구성합니다.

이더리움 검증자 키는 의도적으로 암호학적 분리를 사용합니다. BLS 서명 키는 온라인 상태이며 증명을 위해 모든 슬롯에서 사용되므로 위험이 더 높습니다. 출금 자격 증명은 별도의 키의 해시이거나, EIP-4895 이후에는 이더리움 실행 주소입니다. 이러한 분리 덕분에 서명 키가 침해되어도 공격자가 예치된 ETH를 훔칠 수 없고, 검증자의 지분을 잃는 지분 삭감만 당하게 할 수 있습니다. 자금 이동을 시작할 수 있는 것은 출금 키뿐이며, 이 키는 하드웨어에 오프라인으로 보관할 수 있습니다.

분산 검증자 기술(DVT)은 단독 지분 예치에서 발생하는 단일 장애점 위험을 해결합니다. 임계값 BLS 서명을 사용하면 하나의 검증자 키를 여러 운영자에게 분할할 수 있습니다(예: 3-of-5). 블록 제안이나 증명을 수행하려면 결합된 BLS 서명이 생성되기 전에 임계값에 해당하는 운영자들의 합의가 필요합니다. 어느 한 운영자도 완전한 키를 보유하지 않습니다. 오볼 네트워크와 SSV 네트워크 같은 프로젝트는 DVT를 구현하여 장애 허용성을 높이고 중앙화된 키 보관 없이 기관의 지분 예치를 가능하게 합니다.

서로 다른 지분 증명 체인은 암호학적 메커니즘을 각기 다르게 구현합니다. 솔라나는 합의 전에 순서를 정하기 위해 VDF와 유사한 타임스탬프(역사 증명)를 사용하는 타워 BFT 변형을 사용합니다. 카르다노는 범용 구성 가능성 모델에서 형식적 암호학적 보안 증명을 제공하는, 보안성이 증명된 지분 증명 프로토콜인 우로보로스를 사용합니다. 코스모스 체인은 한 라운드에서 2/3 쿼럼으로 최종성을 제공하는 고전적 BFT 프로토콜인 텐더민트 BFT를 사용합니다. 각 설계는 보안성, 생존성, 탈중앙화, 처리량 사이에서 서로 다른 절충을 선택합니다.

이더리움 검증자의 지분을 삭감하는 데 사용되는 핵심 암호학적 증거는 무엇입니까?

지분 증명은 작업 증명 연산을 경제적 담보로 대체합니다. 이더리움 검증자는 집계 가능한 증명을 위해 BLS12-381 키를 사용합니다. RANDAO는 제안자 선택과 위원회 섞기를 위한 프로토콜 내부 무작위성을 제공합니다. Casper FFG는 2/3 초다수 체크포인트 투표를 통해 최종성을 제공합니다. LMD-GHOST는 체크포인트 사이의 분기 선택을 수행합니다. 지분 삭감은 서로 모순되는 서명 메시지라는 온체인 증거를 사용하여 모순된 행동과 포위 투표를 처벌합니다. DVT는 임계값 BLS 키 분할을 통해 복원력을 높입니다.