Mere effektiv kryptovaluta reducerer de nødvendige data for at tilslutte sig netværket og verificere transaktioner med 99 procent

MIT-forskere har udviklet en ny kryptovaluta, der drastisk reducerer de data, brugere har brug for for at tilslutte sig netværket og verificere transaktioner – med op til 99 procent sammenlignet med nutidens populære kryptovalutaer. Det betyder et meget mere skalerbart netværk.

Kryptovalutaer, såsom den populære Bitcoin, er netværk bygget på blockchain, en finansiel hovedbog formateret i en sekvens af individuelle blokke, hver indeholder transaktionsdata. Disse netværk er decentrale, hvilket betyder, at der ikke er nogen banker eller organisationer til at administrere midler og saldi, så brugerne går sammen om at gemme og verificere transaktionerne.

Men decentralisering fører til et skalerbarhedsproblem. For at deltage i en kryptovaluta, nye brugere skal downloade og gemme alle transaktionsdata fra hundredtusindvis af individuelle blokke. De skal også gemme disse data for at bruge tjenesten og hjælpe med at verificere transaktioner. Dette gør processen langsom eller beregningsmæssigt upraktisk for nogle.

I et papir, der præsenteres på netværks- og distribueret systemsikkerhedssymposium i næste måned, MIT-forskerne introducerer Vault, en kryptovaluta, der lader brugere tilslutte sig netværket ved kun at downloade en brøkdel af de samlede transaktionsdata. Det inkorporerer også teknikker, der sletter tomme konti, der optager plads, og muliggør verifikationer ved kun at bruge de seneste transaktionsdata, der er opdelt og delt på tværs af netværket, minimere en individuel brugers krav til datalagring og -behandling.

I eksperimenter, Vault reducerede båndbredden for at tilslutte sig sit netværk med 99 procent sammenlignet med Bitcoin og 90 procent sammenlignet med Ethereum, som betragtes som en af ​​nutidens mest effektive kryptovalutaer. Vigtigt, Vault sikrer stadig, at alle noder validerer alle transaktioner, yde stram sikkerhed svarende til sine eksisterende modparter.

"I øjeblikket er der mange kryptovalutaer, men de rammer flaskehalse i forhold til at blive medlem af systemet som ny bruger og til opbevaring. Det overordnede mål her er at gøre det muligt for kryptovalutaer at skalere godt for flere og flere brugere, " siger medforfatter Derek Leung, en kandidatstuderende i Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

Med Leung på papiret er CSAIL-forskerne Yossi Gilad og Nickolai Zeldovich, der også er professor i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS); og nylig alumnus Adam Suhl '18.

Hvælving over blokke

Hver blok i et kryptovaluta-netværk indeholder et tidsstempel, dens placering i blockchain, og fast længde streng af tal og bogstaver, kaldet en "hash, " det er dybest set blokkens identifikation. Hver ny blok indeholder hashen fra den forrige blok i blokkæden. Blokke i Vault indeholder også op til 10, 000 transaktioner – eller 10 megabyte data – som alle skal verificeres af brugerne. Strukturen af ​​blockchain og, i særdeleshed, kæden af ​​hash, sikrer, at en modstander ikke kan hacke blokkene uden opdagelse.

Nye brugere tilslutter sig kryptovaluta-netværk, eller "bootstrap, " ved at downloade alle tidligere transaktionsdata for at sikre, at de er sikre og opdaterede. For at blive medlem af Bitcoin sidste år, for eksempel, en bruger ville downloade 500, 000 blokke på i alt omkring 150 gigabyte. Brugere skal også gemme alle kontosaldi for at hjælpe med at bekræfte nye brugere og sikre, at brugerne har nok midler til at gennemføre transaktioner. Opbevaringskravene bliver betydelige, da Bitcoin udvider sig ud over 22 millioner konti.

Forskerne byggede deres system oven på et nyt cryptocurrency netværk kaldet Algorand - opfundet af Silvio Micali, Ford Professor of Engineering ved MIT - det er sikkert, decentraliseret, og mere skalerbar end andre kryptovalutaer.

Med traditionelle kryptovalutaer, brugere konkurrerer om at løse ligninger, der validerer blokke, med den første til at løse ligningerne, der modtager midler. Efterhånden som netværket skaleres, dette forsinker transaktionsbehandlingstiden. Algorand bruger et "proof-of-stake"-koncept til mere effektivt at verificere blokeringer og bedre gøre det muligt for nye brugere at deltage. For hver blok, der vælges et repræsentativt verifikations-"udvalg". Brugere med flere penge – eller andel – i netværket har større sandsynlighed for at blive udvalgt. For at deltage i netværket, brugere bekræfter hvert certifikat, ikke alle transaktioner.

Men hver blok indeholder nogle nøgleoplysninger for at validere certifikatet umiddelbart før det, hvilket betyder, at nye brugere skal starte med den første blok i kæden, sammen med certifikatet, og sekventielt validere hver enkelt i rækkefølge, hvilket kan være tidskrævende. For at fremskynde tingene, forskerne giver hvert nyt certifikat verifikationsinformation baseret på en blok et par hundrede eller 1, 000 blokke bagved - kaldet en "brødkrumme". Når en ny bruger tiltræder, de matcher brødkrumme fra en tidlig blok med brødkrumme 1, 000 gader foran. Den brødkrumme kan matches med en anden brødkrumme 1, 000 blokke forude, og så videre.

"Avistitlen er et ordspil, Leung siger. "En boks er et sted, hvor du kan opbevare penge, men blockchain lader dig også 'vælge' over blokke, når du tilslutter dig et netværk. Når jeg bootstrapper, Jeg har kun brug for en blok fra vejen i fortiden for at bekræfte en blokering i fremtiden. Jeg kan springe over alle blokke imellem, hvilket sparer os for en masse båndbredde."

Del og kassér

For at reducere kravene til datalagring, forskerne designet Vault med et nyt "sharding"-skema. Teknikken opdeler transaktionsdata i mindre portioner – eller skår – som den deler på tværs af netværket, så individuelle brugere behøver kun at behandle små mængder data for at verificere transaktioner.

For at implementere deling på en sikker måde, Vault bruger en velkendt datastruktur kaldet et binært Merkle-træ. I binære træer, en enkelt topknude forgrener sig til to "børn"-knuder, og disse to noder deler sig hver i to børneknuder, og så videre.

I Merkle træer, den øverste node indeholder en enkelt hash, kaldet en root-hash. Men træet er konstrueret fra bunden, op. Træet kombinerer hvert par børns hash langs bunden for at danne deres forældre hash. Den gentager den proces op i træet, tildele en overordnet node fra hvert par af børneknuder, indtil det kombinerer alt i root-hashen. I kryptovalutaer, den øverste node indeholder en hash af en enkelt blok. Hver bundknude indeholder en hash, der angiver saldoinformationen om én konto involveret i en transaktion i blokken. Balancehash og blokhash er bundet sammen.

For at bekræfte en transaktion, netværket kombinerer de to underordnede noder for at få den overordnede node-hash. Det gentager den proces, der arbejder op i træet. Hvis den endelige kombinerede hash matcher rodhashen for blokken, transaktionen kan verificeres. Men med traditionelle kryptovalutaer, brugere skal gemme hele træstrukturen.

Med Vault, forskerne deler Merkle-træet i separate skår, der er tildelt separate grupper af brugere. Hver brugerkonto gemmer kun saldi på konti i dens tildelte shard, samt root-hash. Tricket er at få alle brugere til at gemme et lag af noder, der skærer på tværs af hele Merkle-træet. Når en bruger skal bekræfte en transaktion uden for deres shard, de sporer en vej til det fælles lag. Fra det fælles lag, de kan bestemme saldoen på kontoen uden for deres skærv, og fortsætte valideringen normalt.

"Hvert skår af netværket er ansvarlig for at gemme en mindre del af en stor datastruktur, men dette lille udsnit giver brugerne mulighed for at verificere transaktioner fra alle andre dele af netværket, " siger Leung.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.